Al estudiar la estructura de la materia, los físicos aprendieron de qué están hechos los átomos, llegaron al núcleo atómico y lo dividieron en protones y neutrones. Todos estos pasos se dieron con bastante facilidad: solo era necesario dispersar las partículas a la energía requerida, empujarlas una contra la otra y luego se desmoronaron en sus partes componentes.
Pero con protones y neutrones, este truco no ha funcionado. Aunque son partículas compuestas, no pueden "romperse" ni siquiera en la colisión más violenta. Por lo tanto, los físicos tardaron décadas en encontrar diferentes formas de mirar dentro del protón, para ver su estructura y forma. Hoy en día, el estudio de la estructura del protón es una de las áreas más activas de la física de partículas elementales.
La naturaleza da pistas
La historia del estudio de la estructura de protones y neutrones se remonta a la década de 1930. Cuando, además de los protones, se descubrieron los neutrones (1932), al medir su masa, los físicos se sorprendieron al encontrar que es muy cercana a la masa de un protón. Además, resultó que los protones y los neutrones "sienten" la interacción nuclear exactamente de la misma manera. Tanto es así que, desde el punto de vista de las fuerzas nucleares, el protón y el neutrón pueden considerarse como dos manifestaciones de la misma partícula: el nucleón: el protón es un nucleón cargado eléctricamente y el neutrón es un nucleón neutro. Cambia los protones por neutrones y las fuerzas nucleares (casi) no notarán nada.
Los físicos expresan esta propiedad de la naturaleza como simetría: la interacción nuclear es simétrica con respecto al reemplazo de protones por neutrones, al igual que una mariposa es simétrica con respecto al reemplazo de izquierda por derecha. Esta simetría, además de jugar un papel importante en la física nuclear, fue en realidad el primer indicio de que los nucleones tienen una estructura interna interesante. Cierto, entonces, en la década de 1930, los físicos no se dieron cuenta de esta pista.
La comprensión vino después. Comenzó con el hecho de que en las décadas de 1940 y 1950, en las reacciones de las colisiones de protones con los núcleos de varios elementos, los científicos se sorprendieron al descubrir más y más partículas nuevas. No protones, ni neutrones, pi-mesones no descubiertos en ese momento, que mantienen los nucleones en los núcleos, sino algunas partículas completamente nuevas. A pesar de toda su diversidad, estas nuevas partículas tenían dos propiedades comunes. Primero, ellos, como los nucleones, participaron muy voluntariamente en las interacciones nucleares; ahora esas partículas se llaman hadrones. Y en segundo lugar, eran extremadamente inestables. El más inestable de ellos se descompuso en otras partículas en solo una trillonésima de nanosegundo, ¡sin siquiera tener tiempo de volar por el tamaño de un núcleo atómico!
Durante mucho tiempo, el "zoológico" de los hadrones fue una completa mezcolanza. A fines de la década de 1950, los físicos ya habían aprendido mucho diferentes tipos hadrones, comenzó a compararlos entre sí y de repente vio una cierta simetría general, incluso la periodicidad de sus propiedades. Se conjeturó que dentro de todos los hadrones (incluidos los nucleones) hay algunos objetos simples, que se llaman "quarks". Combinando quarks diferentes caminos, es posible obtener diferentes hadrones, además, de este tipo y con tales propiedades que se encontraron en el experimento.
¿Qué hace que un protón sea un protón?
Después de que los físicos descubrieran la estructura de quarks de los hadrones y descubrieran que los quarks vienen en varios diferentes variedades, quedó claro que se pueden construir muchas partículas diferentes a partir de los quarks. Así que nadie se sorprendió cuando los experimentos posteriores continuaron encontrando nuevos hadrones uno tras otro. Pero entre todos los hadrones, se encontró toda una familia de partículas que constaba, al igual que el protón, de sólo dos tu-quarks y uno D-cuarc. Una especie de "hermanos" del protón. Y aquí los físicos se llevaron una sorpresa.
Primero hagamos una simple observación. Si tenemos varios objetos que consisten en los mismos "ladrillos", entonces los objetos más pesados contendrán más "ladrillos" y los más livianos, menos. Este es un principio muy natural, que puede llamarse principio de combinación o principio de superestructura, y se cumple perfectamente tanto en la vida cotidiana como en la física. Se manifiesta incluso en la estructura de los núcleos atómicos; después de todo, los núcleos más pesados simplemente consisten en una mayor cantidad de protones y neutrones.
Sin embargo, a nivel de los quarks, este principio no funciona en absoluto y, hay que admitirlo, los físicos aún no han descubierto del todo por qué. Resulta que los hermanos pesados del protón también están formados por los mismos quarks que el protón, aunque son una vez y media o incluso dos veces más pesados que el protón. Difieren del protón (y difieren entre sí) no composición, pero mutuo ubicación quarks, por el estado en el que estos quarks se encuentran entre sí. Es suficiente cambiar la posición mutua de los quarks, y obtendremos otra partícula, notablemente más pesada, del protón.
Pero, ¿qué sucede si todavía tomas y reúnes más de tres quarks? ¿Se obtendrá una nueva partícula pesada? Sorprendentemente, no funcionará: los quarks se romperán en grupos de tres y se convertirán en varias partículas dispares. ¡Por alguna razón, a la naturaleza "no le gusta" combinar muchos quarks en uno! Sólo muy recientemente, literalmente en últimos años, comenzaron a aparecer indicios de que existen algunas partículas multiquark, pero esto solo enfatiza cuánto no le gustan a la naturaleza.
De esta combinatoria se sigue una conclusión muy importante y profunda: la masa de los hadrones no consiste en absoluto en la masa de los quarks. Pero si la masa de un hadrón puede aumentarse o disminuirse simplemente recombinando sus componentes básicos, entonces los quarks mismos no son en absoluto responsables de la masa de los hadrones. De hecho, en experimentos posteriores, fue posible descubrir que la masa de los propios quarks es solo alrededor del dos por ciento de la masa del protón, y el resto de la gravedad surge debido al campo de fuerza (partículas especiales - gluones) que unir los quarks. Al cambiar la disposición mutua de los quarks, por ejemplo, alejándolos unos de otros, cambiamos la nube de gluones, la hacemos más masiva, por lo que aumenta la masa del hadrón (Fig. 1).
¿Qué está pasando dentro de un protón que vuela rápido?
Todo lo descrito anteriormente se refiere a un protón inmóvil, en el lenguaje de los físicos, esta es la estructura de un protón en su marco de reposo. Sin embargo, en el experimento, la estructura del protón se descubrió por primera vez en otras condiciones: dentro vuelo rapido protón.
A fines de la década de 1960, en experimentos de colisión de partículas en aceleradores, se notó que los protones que volaban casi a la velocidad de la luz se comportaban como si la energía dentro de ellos no se distribuyera uniformemente, sino que se concentrara en objetos compactos separados. El famoso físico Richard Feynman propuso llamar protones a estos cúmulos de materia en el interior. partes(De inglés parte- parte).
En experimentos posteriores, se estudiaron muchas de las propiedades de los partones, por ejemplo, su carga eléctrica, su número y la proporción de energía de protones que lleva cada uno. Resulta que los partones cargados son quarks y los partones neutros son gluones. Sí, sí, los mismos gluones, que en el marco de reposo del protón simplemente "sirvieron" a los quarks, atrayéndolos entre sí, ahora son partones independientes y, junto con los quarks, transportan la "materia" y la energía de un rápido protón volador. Los experimentos han demostrado que aproximadamente la mitad de la energía se almacena en quarks y la otra mitad en gluones.
Los partones se estudian más convenientemente en la colisión de protones con electrones. El hecho es que, a diferencia del protón, el electrón no participa en interacciones nucleares fuertes y su colisión con el protón parece muy simple: el electrón está en una posición muy un tiempo corto emite un fotón virtual que choca contra un partón cargado y eventualmente genera una gran cantidad de partículas (Fig. 2). Podemos decir que el electrón es un excelente bisturí para "abrir" el protón y dividirlo en partes separadas, pero solo por un tiempo muy corto. Sabiendo con qué frecuencia ocurren tales procesos en el acelerador, es posible medir la cantidad de partones dentro del protón y sus cargas.
¿Quiénes son los verdaderos partones?
Y aquí llegamos a otro asombroso descubrimiento que los físicos han hecho mientras estudiaban las colisiones de partículas elementales a altas energías.
En condiciones normales, la pregunta de en qué consiste este o aquel objeto tiene una respuesta universal para todos los marcos de referencia. Por ejemplo, una molécula de agua consta de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, y no importa si estamos mirando una molécula estacionaria o en movimiento. Sin embargo, esta regla - ¡parecería tan natural! - violado si estamos hablando sobre partículas elementales que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. En un marco de referencia, una partícula compleja puede consistir en un conjunto de subpartículas, y en otro marco de referencia, en otro. resulta que la composición es un concepto relativo!
¿Cómo puede ser esto? La clave aquí es una propiedad importante: la cantidad de partículas en nuestro mundo no es fija: las partículas pueden nacer y desaparecer. Por ejemplo, si dos electrones con una energía lo suficientemente alta se juntan, entonces, además de estos dos electrones, puede nacer un fotón, o un par electrón-positrón, o algunas otras partículas. Todo esto está permitido por las leyes cuánticas, y esto es exactamente lo que sucede en los experimentos reales.
Pero esta "ley de no conservación" de las partículas funciona en colisiones partículas Pero, ¿cómo es que el mismo protón desde diferentes puntos de vista parece estar formado por un conjunto diferente de partículas? El hecho es que un protón no es simplemente tres quarks juntos. Hay un campo de fuerza de gluones entre los quarks. En general, un campo de fuerza (como, por ejemplo, un campo gravitatorio o eléctrico) es una especie de “entidad” material que impregna el espacio y permite que las partículas ejerzan fuerza entre sí. EN Teoría cuántica el campo también consta de partículas, aunque especiales, virtuales. El número de estas partículas no es fijo, están constantemente "brotando" de los quarks y siendo absorbidas por otros quarks.
descansando De hecho, se puede pensar en el protón como tres quarks, entre los cuales saltan los gluones. Pero si miramos el mismo protón desde un marco de referencia diferente, como si lo hiciéramos desde la ventana de un “tren relativista”, veremos una imagen completamente diferente. Esos gluones virtuales que unieron los quarks parecerán ser partículas menos virtuales, "más reales". Ellos, por supuesto, todavía nacen y son absorbidos por los quarks, pero al mismo tiempo viven solos durante algún tiempo, volando junto a los quarks, como partículas reales. ¡Lo que parece un simple campo de fuerza en un marco de referencia se convierte en una corriente de partículas en otro marco! Tenga en cuenta que no tocamos el protón en sí, sino que solo lo miramos desde un marco de referencia diferente.
Es más. Cuanto más se acerque la velocidad de nuestro "tren relativista" a la velocidad de la luz, más sorprendente será la imagen que veremos dentro del protón. A medida que nos acerquemos a la velocidad de la luz, notaremos que hay más y más gluones dentro del protón. Además, a veces se dividen en pares de quark-antiquark, que también vuelan uno al lado del otro y también se consideran partones. Como resultado, un protón ultrarrelativista, es decir, un protón que se mueve con respecto a nosotros a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz, aparece como nubes interpenetrantes de quarks, antiquarks y gluones que vuelan juntos y parecen apoyarse mutuamente (Fig. 3 ).
El lector familiarizado con la teoría de la relatividad puede estar preocupado. Toda la física se basa en el principio de que cualquier proceso procede de la misma manera en todos los marcos de referencia inerciales. ¡¿Y aquí resulta que la composición del protón depende del marco de referencia desde el que lo observamos?!
Sí, así es, pero no viola el principio de relatividad de ninguna manera. resultados procesos físicos- por ejemplo, qué partículas y cuántas nacen como resultado de una colisión - realmente resultan ser invariantes, aunque la composición del protón depende del marco de referencia.
Esta situación, inusual a primera vista, pero que satisface todas las leyes de la física, se ilustra esquemáticamente en la Figura 4. Muestra cómo se ve una colisión de dos protones de alta energía en diferentes marcos de referencia: en el marco de reposo de un protón, en el marco del centro de masa, en el marco de reposo de otro protón. La interacción entre protones se lleva a cabo a través de una cascada de gluones en división, pero solo en un caso esta cascada se considera el “interior” de un protón, en el otro caso es parte de otro protón, y en el tercer caso es solo un objeto intercambiado entre dos protones. Esta cascada existe, es real, pero depende del marco de referencia a qué parte del proceso se debe atribuir.
Retrato 3D de un protón
Todos los resultados que acabamos de describir se basaron en experimentos realizados hace bastante tiempo, en los años 60 y 70 del siglo pasado. Parecería que desde entonces todo debería estar ya estudiado y todas las preguntas deberían encontrar sus respuestas. Pero no, el dispositivo de protones sigue siendo uno de los más temas interesantes en física de partículas elementales. Además, en los últimos años, ha vuelto a aumentar el interés porque los físicos han descubierto cómo obtener un retrato "tridimensional" de un protón que se mueve rápidamente, lo que resultó ser mucho más complicado que un retrato de un protón estacionario.
Los experimentos clásicos de colisión de protones solo informan sobre el número de partones y su distribución de energía. En tales experimentos, los partones participan como objetos independientes, lo que significa que es imposible aprender de ellos cómo se ubican los partones entre sí, cómo se suman exactamente para formar un protón. Se puede decir que durante mucho tiempo los físicos sólo disponían de un retrato “unidimensional” de un protón que volaba a gran velocidad.
Para construir un retrato tridimensional real del protón y conocer la distribución de partones en el espacio, se requieren experimentos mucho más sutiles que los que eran posibles hace 40 años. Los físicos han aprendido a realizar tales experimentos recientemente, literalmente en la última década. Se dieron cuenta de que entre la gran cantidad de reacciones diferentes que ocurren cuando un electrón choca con un protón, hay una reacción especial: dispersión Compton virtual profunda, - que podrá hablar sobre la estructura tridimensional del protón.
En general, la dispersión Compton, o el efecto Compton, es la colisión elástica de un fotón con alguna partícula, como un protón. Se ve así: llega un fotón, es absorbido por un protón, que pasa brevemente a un estado excitado y luego vuelve a su estado original, emitiendo un fotón en alguna dirección.
La dispersión de Compton de los fotones de luz ordinarios no conduce a nada interesante: es un simple reflejo de la luz de un protón. Para "entrar en juego" la estructura interna del protón y "sentir" la distribución de los quarks, es necesario utilizar fotones de muy alta energía, miles de millones de veces más que en la luz ordinaria. Y precisamente esos fotones, aunque virtuales, son fácilmente generados por un electrón incidente. Si ahora combinamos uno con el otro, obtenemos una dispersión Compton virtual profunda (Fig. 5).
La característica principal de esta reacción es que no destruye el protón. El fotón incidente no solo golpea al protón, sino que, por así decirlo, lo siente con cuidado y luego se va volando. La dirección en la que vuela y qué parte de la energía le quita el protón depende de la estructura del protón, de la posición relativa de los partones dentro de él. Por eso, mediante el estudio de este proceso, es posible restaurar la apariencia tridimensional del protón, como "para modelar su escultura".
Es cierto que es muy difícil para un físico experimental hacer esto. El proceso deseado ocurre muy raramente y es difícil registrarlo. Los primeros datos experimentales sobre esta reacción se obtuvieron solo en 2001 en el acelerador HERA en el complejo acelerador alemán DESY en Hamburgo; la nueva serie de datos ahora está siendo procesada por experimentadores. Sin embargo, ya hoy, a partir de los primeros datos, los teóricos dibujan distribuciones tridimensionales de quarks y gluones en el protón. La cantidad física, sobre la cual los físicos solían construir solo suposiciones, finalmente comenzó a "aparecer" a partir del experimento.
¿Estamos esperando alguna descubrimientos inesperados¿en esta región? Es probable que si. A modo de ilustración, digamos que en noviembre de 2008 apareció un interesante artículo teórico, que afirma que un protón que vuela rápido no debe parecerse a un disco plano, sino a una lente bicóncava. Esto sucede porque los partones que se encuentran en la región central del protón están más comprimidos en la dirección longitudinal que los partones que se encuentran en los bordes. ¡Sería muy interesante probar estas predicciones teóricas experimentalmente!
¿Por qué es todo esto interesante para los físicos?
¿Por qué los físicos necesitan saber exactamente cómo se distribuye la materia dentro de los protones y neutrones?
Primero, esto es requerido por la lógica misma del desarrollo de la física. Hay muchos sistemas sorprendentemente complejos en el mundo que la física teórica moderna aún no puede abordar por completo. Los hadrones son uno de esos sistemas. Entendiendo la estructura de los hadrones, afinamos la habilidad de la física teórica, que bien puede resultar universal y, tal vez, ayudar en algo completamente diferente, por ejemplo, en el estudio de superconductores u otros materiales con propiedades inusuales.
En segundo lugar, hay un beneficio inmediato para la física nuclear. A pesar de casi un siglo de historia de estudio de los núcleos atómicos, los teóricos aún no conocen la ley exacta de la interacción de protones y neutrones.
Tienen que adivinar en parte esta ley sobre la base de datos experimentales y en parte construirla sobre la base del conocimiento sobre la estructura de los nucleones. Aquí es donde ayudarán los nuevos datos sobre la estructura tridimensional de los nucleones.
En tercer lugar, hace unos años, los físicos lograron obtener nada menos que un nuevo estado agregado de la materia: el plasma de quarks y gluones. En este estado, los quarks no se sientan dentro de protones y neutrones individuales, sino que caminan libremente alrededor de todo el conjunto de materia nuclear. Se puede lograr, por ejemplo, de la siguiente manera: los núcleos pesados se aceleran en el acelerador a una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz, y luego chocan de frente. En esta colisión, durante un tiempo muy breve, surge una temperatura de billones de grados, que funde los núcleos en un plasma de quarks-gluones. Entonces, resulta que los cálculos teóricos de esta fusión nuclear requieren un buen conocimiento de la estructura tridimensional de los nucleones.
Finalmente, estos datos son muy necesarios para la astrofísica. Cuando las estrellas pesadas explotan al final de sus vidas, a menudo dejan objetos extremadamente compactos: estrellas de neutrones y posiblemente de quarks. El núcleo de estas estrellas consiste enteramente en neutrones, y quizás incluso en plasma frío de quarks y gluones. Estas estrellas se han descubierto durante mucho tiempo, pero lo que sucede dentro de ellas solo se puede adivinar. Entonces, una buena comprensión de las distribuciones de quarks también puede conducir al progreso en astrofísica.
En primer lugar, debe comprender que se liberan cuatro tipos separados de energía:
1) energía química, que alimenta nuestros automóviles, así como la mayoría de los dispositivos de la civilización moderna;
2) energía de fisión nuclear, utilizada para generar alrededor del 15% de la electricidad que consumimos;
3) la energía de la fusión nuclear caliente, que alimenta al sol ya la mayoría de las estrellas;
4) la energía de fusión nuclear fría, que es observada por algunos experimentadores en estudios de laboratorio y cuya existencia es rechazada por la mayoría de los científicos.
La cantidad de energía nuclear liberada (calor/libra de combustible) de los tres tipos es 10 millones de veces mayor que la de la energía química. ¿En qué se diferencian estos tipos de energía? Para comprender este problema, se requiere cierto conocimiento en el campo de la química y la física.
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La naturaleza nos ha dado dos tipos de partículas con carga estable: protones y electrones. Un protón es una partícula cargada positivamente, generalmente muy pequeña. El electrón suele ser ligero, grande, con límites borrosos y tiene una carga negativa. Las cargas positivas y negativas se atraen entre sí, al igual que el polo norte de un imán atrae al polo sur. Si se lleva un imán con su polo norte a Polo Sur otro imán, chocarán. La colisión liberará una pequeña cantidad de energía en forma de calor, pero es demasiado pequeña para medirla fácilmente. Para separar los imanes hay que trabajar, es decir, gastar energía. Esto es casi lo mismo que levantar una piedra colina arriba.
Cuando una piedra rueda cuesta abajo, se libera una pequeña cantidad de calor, pero el proceso de levantar la piedra requiere energía.
De la misma forma, la carga positiva del protón choca con la carga negativa del electrón, se “pegan”, liberando energía. El resultado es un átomo de hidrógeno, denominado H. Un átomo de hidrógeno no es más que un electrón borroso que envuelve a un pequeño protón. Si eliminas un electrón de un átomo de hidrógeno, obtienes un ion H + cargado positivamente, que no es más que el protón original. "Ion" es el nombre que se aplica a un átomo o molécula que ha perdido o ganado uno o más electrones y, por lo tanto, ya no es neutral.
Como sabes, en la naturaleza hay más de un tipo de átomos. Tenemos átomos de oxígeno, átomos de nitrógeno, átomos de hierro, átomos de helio y otros. ¿Cómo son todos diferentes? Todos ellos tienen núcleos. diferente tipo y todos los núcleos contienen cantidad diferente protones, lo que significa que tienen una carga positiva diferente. Un núcleo de helio contiene 2 protones, lo que significa que tiene una carga de más 2 y se necesitan 2 electrones para neutralizar la carga. Cuando se le “pegan” 2 electrones, se forma un átomo de helio. El núcleo de oxígeno contiene 8 protones y tiene una carga de 8. Cuando se le "pegan" 8 electrones, se forma un átomo de oxígeno. Un átomo de nitrógeno tiene 7 electrones, un átomo de hierro tiene alrededor de 26. Sin embargo, la estructura de todos los átomos es aproximadamente la misma: un pequeño núcleo cargado positivamente, ubicado en una nube de electrones difusos. La diferencia de tamaño entre el núcleo y los electrones es enorme.
El diámetro del Sol es sólo 100 veces el diámetro de la Tierra. El diámetro de la nube de electrones en un átomo es 100.000 veces el diámetro del núcleo. Para obtener la diferencia de volúmenes, es necesario elevar estos números a un cubo.
Ahora estamos listos para entender qué es la energía química. Los átomos, al ser eléctricamente neutros, pueden unirse entre sí, liberando más energía. En otras palabras, se pueden combinar en configuraciones más estables. Ya en el átomo, los electrones intentan distribuirse de tal manera que se acerquen lo más posible al núcleo, pero debido a su naturaleza difusa, requieren una cierta cantidad de espacio. Sin embargo, cuando se combinan con los electrones de otro átomo, suelen formar una configuración más cercana, lo que les permite acercarse a los núcleos. Por ejemplo, 2 átomos de hidrógeno pueden combinarse en una configuración más compacta si cada átomo de hidrógeno dona su electrón a una nube de 2 electrones, que se divide entre dos protones.
Así, forman un grupo formado por dos electrones en una sola nube y dos protones, separados entre sí por el espacio, pero, sin embargo, situados dentro de la nube de electrones. Como resultado, ocurre una reacción química que procede con la liberación de calor: H + H => H G (El signo “=>” significa “entra” o “se vuelve”). La configuración H 2 es una molécula de hidrógeno; cuando compras un globo de hidrógeno, obtienes nada más que moléculas de H. Además, cuando se combinan, dos electrones de H 2 y 8 electrones del átomo de O pueden formar una configuración aún más compacta: una molécula de agua H O más calor. De hecho, una molécula de agua es una sola nube de electrones, dentro de la cual hay tres núcleos puntuales. Tal molécula es la configuración de energía mínima.
Así, al quemar petróleo o carbón, redistribuimos electrones. Esto conduce a la formación de configuraciones más estables de núcleos puntuales dentro de las nubes de electrones y se acompaña de una liberación de calor. Esta es la naturaleza de la energía química.
En la discusión anterior, nos perdimos un punto. ¿Por qué los núcleos en la naturaleza contienen inicialmente dos o más protones? Cada protón tiene una carga positiva, y cuando la distancia entre las cargas positivas es tan pequeña que es proporcional al espacio que rodea al núcleo, se repelen fuertemente entre sí. La repulsión de cargas iguales es similar a la repulsión que ocurre entre los polos norte de dos imanes cuando intentan conectarlos incorrectamente. Debe haber algo que supere esta repulsión, de lo contrario solo existirían átomos de hidrógeno. Afortunadamente, vemos que este no es el caso.
Hay otro tipo de fuerza que actúa sobre el protón. Esto es energía nuclear. Debido al hecho de que es muy grande, las partículas se sujetan firmemente casi una encima de la otra. Además, existe un segundo tipo de partículas pesadas, que se diferencian del protón únicamente en que no tienen carga positiva ni negativa. No son repelidos por la carga positiva del protón. Estas partículas se denominan "neutrones" porque son eléctricamente neutras. La peculiaridad es que el estado sin cambios de las partículas solo es posible dentro del núcleo. Cuando una partícula está fuera del núcleo, en unos 10 minutos se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino muy ligero. Sin embargo, dentro del núcleo, puede permanecer sin cambios durante un tiempo arbitrariamente largo. Sea como fuere, el neutrón y el protón se atraen muy fuertemente entre sí. Habiéndose acercado a una distancia suficiente, se conectan, formando un par muy fuerte, el llamado deuterón, que se denota por D +. Un solo deuterón se combina con un solo electrón para formar un átomo pesado de hidrógeno, o deuterio, denominado D.
La segunda reacción nuclear ocurre cuando interactúan dos deuterones. Cuando dos deuterones se ven obligados a interactuar, se combinan para formar una partícula que tiene doble carga. Un agrupamiento de dos protones y dos neutrones es aún más estable que un agrupamiento protón-neutrón en el deuterón. La nueva partícula, neutralizada por 2 electrones, se convierte en el núcleo de un átomo de helio, que se designa como He. En la naturaleza también existen grandes grupos que son los núcleos de carbono, nitrógeno, oxígeno, hierro y otros átomos. La existencia de todas estas agrupaciones es posible debido a la fuerza nuclear que surge entre las partículas cuando interactúan entre sí o comparten un volumen total de espacio igual al tamaño del núcleo.
Ahora podemos comprender la naturaleza de la energía nuclear ordinaria, que en realidad es energía de fisión nuclear. Para historia temprana estrellas masivas formadas en el universo. Durante la explosión de estrellas tan masivas, se formaron núcleos de muchos tipos y de nuevo estallaron en el espacio exterior. Los planetas y las estrellas, incluido el Sol, se formaron a partir de esta masa.
Es posible que durante la explosión aparecieran todas las posibles configuraciones estables de protones y neutrones, así como grupos prácticamente estables como el núcleo de uranio. De hecho, hay tres tipos de núcleos de uranio: uranio-234, uranio-235 y uranio-238. Estos "isótopos" difieren en el número de neutrones, sin embargo, todos contienen 92 protones. Los núcleos de cualquier tipo de átomo de uranio pueden cambiar a configuraciones de menor energía al expulsar núcleos de helio, sin embargo, este proceso es tan raro que el uranio terrestre conserva sus propiedades durante unos 4 mil millones de años.
Sin embargo, existe otra forma de romper la configuración del núcleo de uranio. EN en términos generales, las agrupaciones de protones y neutrones son más estables si contienen alrededor de 60 pares de protones y neutrones. El número de tales pares contenidos en el núcleo de uranio es tres veces mayor que esta cifra. Como resultado, tiende a dividirse en dos partes, liberando una gran cantidad de calor. Sin embargo, la naturaleza no permite que se separe. Para hacer esto, primero necesita pasar a una configuración de energía más alta. Sin embargo, un tipo de uranio, el uranio-235, denominado 235 U, obtiene la energía que necesita al capturar un neutrón. Habiendo así recibido la energía necesaria, el núcleo se desintegra, liberando gran cantidad energía y liberando neutrones adicionales. Estos neutrones adicionales pueden, a su vez, fisionar núcleos de uranio-235, lo que lleva a una reacción en cadena.
Es este proceso el que tiene lugar en plantas de energía nuclear, donde el calor, que es el producto final de la fisión nuclear, se usa para hervir agua, producir vapor y encender un generador eléctrico. (La desventaja de este método es la liberación de desechos radiactivos, que deben eliminarse de manera confiable).
Ahora estamos listos para comprender la esencia de la fusión nuclear caliente. Como se mencionó en la Lección 5, los grupos de protones y neutrones son más estables cuando el número de protones y neutrones corresponde aproximadamente a su número en el núcleo de un átomo de hierro. Al igual que el uranio, que normalmente contiene demasiados protones-neutrón, los elementos ligeros como el hidrógeno, el helio, el carbono, el nitrógeno y el oxígeno contienen muy pocos de estos pares.
Si crea las condiciones necesarias para que estos núcleos interactúen, se combinarán en agrupaciones más estables con la liberación de calor. Este es el proceso de síntesis. En la naturaleza, se encuentra en estrellas como el Sol. En la naturaleza, el hidrógeno comprimido está muy caliente y, después de un tiempo, se produce una reacción de fusión. Si el proceso hubiera tenido lugar originalmente con deuterones, que ya contienen un protón y un neutrón duplicados, las reacciones en las estrellas se desarrollarían con relativa facilidad. La velocidad a la que se mueve un átomo de cada tipo particular dentro de una nube de átomos similares depende directamente de la temperatura. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la velocidad y más cerca están los átomos entre sí, haciendo una colisión de una sola vez.
En las estrellas, la temperatura es lo suficientemente alta como para que los electrones abandonen el núcleo. Así, podemos decir que en realidad estamos ante una nube mixta de electrones y núcleos. muy alta temperatura los núcleos en el momento de la colisión están tan cerca uno del otro que se activa la fuerza nuclear, atrayéndolos entre sí. Como resultado, los núcleos pueden "pegarse" y convertirse en un grupo de protones y neutrones de menor energía, liberando calor. La fusión en caliente es un intento de llevar a cabo este proceso en el laboratorio utilizando deuterio e hidrógeno ternario (cuyo núcleo contiene 1 protón y 2 neutrones) como gas. Para la fusión en caliente, se requiere mantener una temperatura del gas de cientos de millones de grados que, con la ayuda de campo magnético se puede alcanzar, pero sólo durante 1-2 segundos. Se espera que sea posible mantener la temperatura del gas durante un período de tiempo más largo. Siempre que la temperatura sea lo suficientemente alta, la reacción nuclear procede en el momento de la colisión de los núcleos.
La forma principal en que se libera energía es la liberación de neutrones y protones de alta energía. Los protones se convierten muy rápidamente en calor. La energía de los neutrones también puede convertirse en calor, sin embargo, después de eso, el equipo se vuelve radiactivo. Es muy difícil descontaminar el equipo, por lo que la fusión en caliente no es adecuada como método para la generación de energía comercial. En cualquier caso, la energía de la fusión en caliente es un sueño que ya existe, según por lo menos, 50 años. Sin embargo, la mayoría de los científicos ven la fusión en caliente como la única forma de generar energía de fusión. El proceso de fusión en caliente produce menos radiación que la fisión, es una fuente de combustible ecológica y prácticamente ilimitada en la Tierra (en relación con el consumo de energía moderno, sería suficiente para muchos millones de años).
Finalmente, llegamos a la explicación de la fusión fría. La fusión fría podría ser una forma simple y no radiactiva de liberar energía de fusión. En el proceso de fusión fría, los protones y neutrones de un núcleo interactúan con los protones y neutrones de otro de forma completamente diferente.
Al mismo tiempo, la fuerza nuclear contribuye a que formen una configuración más estable. Para cualquier reacción nuclear, es necesario que los núcleos que reaccionan tengan un volumen de espacio común. Este requisito se denomina alineación de partículas. En la fusión en caliente, las partículas se combinan por un corto tiempo, cuando se supera la fuerza repulsiva de dos cargas positivas y los núcleos chocan. Durante la fusión fría, la alineación de las partículas se logra al obligar a los núcleos de deuterio a comportarse como partículas difusas, como electrones, en lugar de partículas puntuales diminutas. Cuando se agrega hidrógeno ligero o pesado a un metal pesado, cada "átomo" de hidrógeno toma una posición en la que está rodeado por todos lados por átomos de metales pesados.
Esta forma de hidrógeno se llama intermedia. Los electrones de los átomos de hidrógeno, junto con el hidrógeno intermedio, pasan a formar parte de la masa de electrones del metal. Cada núcleo de hidrógeno oscila como un péndulo, atravesando una nube de electrones metálicos con carga negativa. Tal vibración se produce incluso a temperaturas muy bajas, de acuerdo con los postulados de la mecánica cuántica. Este movimiento se llama movimiento de punto cero. En este caso, los núcleos se vuelven objetos borrosos, como los electrones de un átomo. Sin embargo, tal borrosidad no es suficiente para permitir que un núcleo de hidrógeno interactúe con otro.
Otra condición es necesaria para que dos o más núcleos de hidrógeno tengan el mismo espacio común. Electricidad, transportada por electrones en un metal, se comporta como una onda material vibrante y no como partículas puntuales. Si los electrones no se comportaran como ondas en los sólidos, no habría transistores ni computadoras modernas. Un electrón en forma de onda se llama electrón de la función de Bloch. El secreto de la fusión fría es la necesidad de obtener un deuterón de la función de Bloch. Para que dos o más deuterones tengan un volumen de espacio común, los deuterones ondulatorios deben producirse dentro o sobre la superficie de un sólido. Tan pronto como se crean los deuterones de la función de Bloch, la fuerza nuclear comienza a actuar y los protones y neutrones que forman el deuterón se reorganizan en una configuración de helio más estable de la función de Bloch, que se acompaña de la liberación de calor.
Para estudiar la fusión fría, el experimentador necesita hacer que los deuterones entren en un estado de onda y mantenerlos en ese estado. Los experimentos de fusión en frío que demuestran la liberación del exceso de calor prueban que esto es posible. Sin embargo, hasta ahora nadie sabe cómo llevar a cabo dicho proceso de la manera más confiable. El uso de la fusión en frío promete obtener un recurso energético que durará millones de años y no habrá problemas calentamiento global, ni la radiactividad - es por eso que se deben hacer esfuerzos serios para estudiar este fenómeno.
Aktobé, 2014
Hadrón. La clase de partículas elementales que participan en la interacción fuerte. Los hadrones están formados por quarks y se dividen en dos grupos: bariones (compuestos por tres quarks) y mesones (compuestos por un quark y un antiquark). La mayor parte de la materia que observamos consiste en bariones: protones y nucleones que forman parte de los núcleos de los átomos.
Actividad de la fuente de radiación es la relación entre el número total de desintegraciones de núcleos radiactivos en una fuente radiactiva y el tiempo de desintegración.
radiación alfa- tipo de radiación ionizante - una corriente de partículas con carga positiva (partículas alfa) emitidas durante la desintegración radiactiva y las reacciones nucleares. El poder de penetración de la radiación alfa es bajo (retrasado por una hoja de papel). Es extremadamente peligroso que las fuentes de radiación alfa entren en el cuerpo con los alimentos, el aire oa través de lesiones en la piel.
Decaimiento alfa(o decaimiento α) - emisión espontánea de partículas alfa (núcleos del átomo de helio) por núcleos atómicos
partícula alfa- una partícula que consta de dos protones y dos neutrones. Idéntico al núcleo del átomo de helio.
Aniquilación- la interacción de una partícula elemental y una antipartícula, como resultado de lo cual desaparecen y su energía se convierte en radiación electromagnética.
La aniquilación es la reacción de transformación de una partícula y una antipartícula tras la colisión en otras partículas.
Una antipartícula es una partícula que tiene los mismos valores de masa, espín, carga y otras propiedades físicas que su partícula "gemela", pero difiere de ella en signos de algunas características de interacción (por ejemplo, en el signo de carga eléctrica ).
Las antipartículas son gemelas de las partículas elementales ordinarias, que se diferencian de estas últimas por el signo de la carga eléctrica y los signos de algunas otras características. Las partículas y antipartículas tienen las mismas masas, espines y tiempos de vida.
C.A.- planta de energía nuclear - una empresa industrial para la producción de energía eléctrica o térmica utilizando uno o más reactores de energía nuclear y un complejo sistemas necesarios, dispositivos, equipos y estructuras con personal necesario,
Átomo- la partícula más pequeña de un elemento químico que conserva sus propiedades. Consiste en un núcleo con protones y neutrones y electrones que se mueven alrededor del núcleo. El número de electrones en un átomo es igual al número de protones en el núcleo.
Masa atomica es la masa de un átomo de un elemento químico, expresada en unidades de masa atómica (a.m.u.). por 1 uma Se acepta 1/12 de la masa de un isótopo de carbono con una masa atómica de 12. 1amu = 1.6605655 10-27 kg. La masa atómica es la suma de las masas de todos los protones y neutrones en un átomo dado.
núcleo atómico- la parte central del átomo cargada positivamente, alrededor de la cual giran los electrones y en la que se concentra casi toda la masa del átomo. Está formado por protones y neutrones. La carga del núcleo está determinada por la carga total de protones en el núcleo y corresponde al número atómico del elemento químico en el sistema periódico de elementos.
bariones- partículas formadas por tres quarks que determinan sus números cuánticos. Todos los bariones, a excepción del protón, son inestables.
grupo de almacenamiento- una instalación situada en el emplazamiento del reactor de una central nuclear para el almacenamiento temporal de combustible nuclear gastado bajo una capa de agua con el fin de reducir la radiactividad y el calor de desintegración.
becquerel(Bq) es la unidad SI de la actividad de una sustancia radiactiva. 1 Bq es igual a la actividad de dicha sustancia radiactiva, en la que se produce un acto de descomposición en 1 s.
rayos β γ es el flujo de electrones rápidos.
rayos α es el flujo de núcleos de helio.
rayos γ - ondas electromagnéticas con una longitud de onda muy corta (L ~ 10 -10 m).
radiación beta- tipo de radiación ionizante - una corriente de electrones o positrones emitidos durante las reacciones nucleares o la desintegración radiactiva. La radiación beta puede penetrar en los tejidos del cuerpo hasta una profundidad de 1 cm y representa un peligro para los humanos tanto en términos de exposición externa como interna.
partículas beta- electrones y positrones emitidos por los núcleos atómicos, así como un neutrón libre durante la desintegración beta. Durante la desintegración beta electrónica de un núcleo atómico, se emite un electrón e - (así como un antineutrino), durante la desintegración de positrones de los núcleos - un positrón e + (y un neutrino ν). Cuando decae un neutrón libre (n), se forma un protón (p), un electrón y un antineutrino: n → p + e - +.
electrón y positrón– partículas estables con espín J = 1/2 (momento angular mecánico interno), pertenecientes a la clase de los leptones. El positrón es la antipartícula con respecto al electrón.
Protección biológica- barrera de radiación creada alrededor del núcleo del reactor y su sistema de refrigeración para evitar efectos dañinos radiación gamma y de neutrones en el personal, el público y ambiente. El hormigón es el principal material de protección biológica en una central nuclear. Para reactores de alta potencia, el espesor de la pantalla protectora de hormigón alcanza varios metros.
bosones(del nombre del físico indio S. Bose) - partículas elementales, núcleos atómicos, átomos con espín cero o entero (0ћ, 1ћ, 2ћ, ...).
neutrones rápidos- neutrones, cuya energía cinética es superior a un cierto valor. Este valor puede variar en un amplio rango y depende de la aplicación (física del reactor, protección o dosimetría). En la física de los reactores, este valor suele elegirse como 0,1 MeV.
Camara de Niebla– un detector de huellas de partículas cargadas elementales, en el que la huella (traza) de una partícula forma una cadena de pequeñas gotas de líquido a lo largo de la trayectoria de su movimiento.
Radiación gamma- tipo de radiación ionizante - radiación electromagnética emitida durante la desintegración radiactiva y las reacciones nucleares, que se propaga a la velocidad de la luz y tiene alta energía y poder de penetración. Se debilita efectivamente cuando interactúa con elementos pesados, como el plomo. Para atenuar la radiación gamma en los reactores nucleares de las centrales nucleares, se utiliza una pantalla protectora de hormigón de paredes gruesas.
Ley de la desintegración radiactiva- la ley por la cual se encuentra el número de átomos no descompuestos: N \u003d N 0 2 -t / T.
Deuterio- isótopo "pesado" de hidrógeno con masa atómica 2.
detector de radiación ionizante- elemento sensible del instrumento de medida destinado al registro de radiaciones ionizantes. Su acción se basa en los fenómenos que se producen cuando la radiación atraviesa la materia.
dosis de radiación- en seguridad radiológica - una medida del impacto de la radiación ionizante en un objeto biológico, en particular una persona. Hay dosis de exposición, absorbidas y equivalentes.
Exceso de masa(o defecto de masa) - expresada en unidades de energía, la diferencia entre la masa de un átomo neutro y el producto del número de nucleones (el número total de protones y neutrones) en el núcleo de este átomo por unidad de masa atómica
isótopos- nucleidos que tienen el mismo número atómico pero diferentes masas atómicas (por ejemplo, uranio-235 y uranio-238).
isótopos- núcleos atómicos el mismo numero protones Z, un número diferente de neutrones N y, en consecuencia, un número de masa diferente A \u003d Z + N. Ejemplo: isótopos de calcio Ca (Z \u003d 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca .
isótopos radioactivos- núcleos de isótopos que experimentan decaimiento radiactivo. La mayoría de los isótopos conocidos son radiactivos (~3500).
Camara de Niebla- un dispositivo para observar trazas de micropartículas que se mueven a alta velocidad (electrones, protones, partículas a, etc.). Creado en 1912 por el físico inglés Wilson.
Un quark es una partícula cargada elemental que participa en la interacción fuerte. Los protones y los neutrones están formados cada uno por tres quarks.
radiación cósmica- radiación ionizante de fondo, que consiste en radiación primaria proveniente de espacio exterior y la radiación secundaria resultante de la interacción de la radiación primaria con la atmósfera.
Los rayos cósmicos son corrientes de partículas elementales cargadas de alta energía (principalmente protones, partículas alfa y electrones) que se propagan en el espacio interplanetario e interestelar y "bombardean" continuamente la Tierra.
factor de multiplicación- la característica más importante de una reacción en cadena de fisión, que muestra la relación entre el número de neutrones de una generación determinada y el número de neutrones de la generación anterior en un medio infinito. A menudo se utiliza otra definición del factor de multiplicación: la relación entre las tasas de generación y absorción de neutrones.
Masa critica- la masa más pequeña de combustible en la que puede producirse una reacción en cadena autosostenida de fisión nuclear con un cierto diseño y composición del núcleo (depende de muchos factores, por ejemplo: composición del combustible, moderador, forma del núcleo, etc.).
Curie (Ci)- unidad de actividad fuera del sistema, inicialmente la actividad de 1 g del isótopo radio-226. 1Ci=3,7 1010 Bq.
Masa critica(t k) - la masa más pequeña de combustible nuclear (uranio, plutonio), en la que se lleva a cabo una reacción nuclear en cadena.
Curie(Ki) es una unidad de actividad fuera del sistema de una sustancia radiactiva. 1 Ci \u003d 3.7 10 10 Bq.
leptones(del griego leptos - ligero, pequeño) - un grupo de partículas puntuales con un giro de 1/2ћ, que no participan en una fuerte interacción. Tamaño del leptón (si existe)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- electrón (e -) y neutrino electrónico (ν e),
- muón (μ –) y muón neutrino (ν μ),
- tau leptón (τ –) y tau neutrino (ν τ),
Los núcleos mágicos son núcleos atómicos que contienen los llamados números mágicos de protones o neutrones.
| Z | |||||||
| norte |
Estos núcleos tienen una energía de enlace mayor que los núcleos vecinos. Tienen una alta energía de separación de nucleones y una mayor abundancia en la naturaleza.
Número de masa(A) es el número total de nucleones (protones y neutrones) en el núcleo atómico; una de las principales características del núcleo atómico.
Tasa de dosis- la relación entre el incremento de la dosis de radiación durante un intervalo de tiempo y este intervalo (por ejemplo: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, µrem/h, µSv/h).
Neutrón- neutro elemental frecuente con una masa cercana a la masa del protón. Junto con los protones, los neutrones forman el núcleo atómico. En estado libre, es inestable y se descompone en un protón y un electrón.
nucleido- un tipo de átomo con un cierto número de protones y neutrones en el núcleo, caracterizado por la masa atómica y el número atómico (de serie).
Enriquecimiento (por isótopo):
2. Un proceso que aumenta el contenido de un isótopo particular en una mezcla de isótopos.
Enriquecimiento mineral de uranio - un conjunto de procesos para el procesamiento primario de materias primas minerales que contienen uranio, con el objetivo de separar el uranio de otros minerales que componen el mineral. En este caso, no hay cambio en la composición de los minerales, sino solo su separación mecánica con la producción de concentrado de mineral.
Combustible nuclear enriquecido- combustible nuclear, en el que el contenido de nucleidos fisionables es superior al de la materia prima natural inicial.
Uranio enriquecido- uranio, en el que el contenido del isótopo uranio-235 es superior al del uranio natural.
Media vida(T) es el intervalo de tiempo durante el cual se desintegrará la mitad del número inicial de núcleos.
Media vida es el tiempo que tarda en desintegrarse la mitad de los núcleos radiactivos. Esta cantidad, denominada T 1/2 , es una constante para un núcleo radiactivo dado (isótopo). El valor de T 1/2 caracteriza claramente la tasa de descomposición de los núcleos radiactivos y es equivalente a otras dos constantes que caracterizan esta tasa: la vida media de un núcleo radiactivo τ y la probabilidad de descomposición de un núcleo radiactivo por unidad de tiempo λ.
Dosis de radiación absorbida- la relación entre la energía absorbida E de la radiación ionizante y la masa de la sustancia irradiada.
postulados de bohr- las principales suposiciones introducidas sin demostración por N. Bohr, que forman la base de la teoría cuántica del átomo.
Regla de desplazamiento: durante la desintegración a, el núcleo pierde su carga positiva 2e y su masa disminuye aproximadamente 4 a.m.u.; en la desintegración b, la carga del núcleo aumenta en 1e y la masa no cambia.
Vida media de un radionúclido es el tiempo durante el cual el número de núcleos de un radionúclido dado se reduce a la mitad como resultado de la descomposición espontánea.
Positrón- una antipartícula de un electrón con una masa igual a la masa de un electrón, pero con una carga eléctrica positiva.
Protón- una partícula elemental cargada positivamente estable con una carga de 1,61 10-19 C y una masa de 1,66 10-27 kg. El protón forma el núcleo del isótopo "ligero" del átomo de hidrógeno (protio). El número de protones en el núcleo de cualquier elemento determina la carga del núcleo y el número atómico de ese elemento.
Radioactividad- transformación espontánea (desintegración radiactiva) de un nucleido inestable en otro nucleido, acompañada de la emisión de radiación ionizante.
Radioactividad- la capacidad de algunos núcleos atómicos de transformarse espontáneamente en otros núcleos, mientras emiten diversas partículas.
desintegración radioactiva- Transformación nuclear espontánea.
Reactor reproductor- un reactor rápido, en el que el factor de conversión es superior a 1 y se realiza la reproducción ampliada del combustible nuclear.
contador Geiger(o contador Geiger-Muller): un contador lleno de gas de partículas elementales cargadas, cuya señal eléctrica se amplifica debido a la ionización secundaria del volumen de gas del contador y no depende de la energía que deja la partícula en este volumen.
TVEL- un elemento generador de calor. El elemento estructural principal de la zona activa de un reactor heterogéneo, en cuya forma se carga el combustible. En las barras de combustible, se produce la fisión de los núcleos pesados U-235, Pu-239 o U-233, acompañada de la liberación de energía, y la energía térmica se transfiere desde ellos al refrigerante. Las barras de combustible constan de un núcleo de combustible, un revestimiento y piezas terminales. El tipo de elemento combustible está determinado por el tipo y el propósito del reactor, los parámetros del refrigerante. El elemento de combustible debe garantizar una eliminación fiable del calor del combustible al refrigerante.
cuerpo de trabajo- medio (portador de calor) utilizado para convertir la energía térmica en energía mecánica.
Materia oscura− sustancia invisible (no radiante y no absorbente). Su existencia está definitivamente evidenciada por los efectos gravitacionales. Los datos de observación también indican que esta energía de materia oscura se divide en dos partes:
- la primera es la llamada materia oscura con una densidad
W dm = 0.20–0.25, son partículas masivas desconocidas que interactúan débilmente (no bariones). Estas pueden ser, por ejemplo, partículas neutras estables con masas de 10 GeV/c2 a 10 TeV/c2 predichas por modelos supersimétricos, incluidos hipotéticos neutrinos pesados;
la segunda es la llamada energía oscura con una densidad
W Λ = 0,70–0,75), que se interpreta como un vacío. Esto se refiere a una forma especial de materia: el vacío físico, es decir, el estado de energía más bajo de los campos físicos que penetran en el espacio.
reacciones termonucleares− reacciones de fusión (síntesis) de núcleos ligeros que se producen a altas temperaturas. Estas reacciones suelen proceder con la liberación de energía, ya que en el núcleo más pesado formado como resultado de la fusión, los nucleones se unen con mayor fuerza, es decir, tienen, en promedio, una energía de enlace más alta que en los núcleos de fusión inicial. El exceso de energía de enlace total de los nucleones se libera luego en forma de energía cinética de los productos de reacción. El nombre “reacciones de fusión” refleja el hecho de que estas reacciones tienen lugar a altas temperaturas ( > 10 7 –10 8 K), porque para fusionarse, los núcleos ligeros deben acercarse entre sí a distancias iguales al radio de acción de las fuerzas de atracción nucleares, es decir hasta distancias ≈10 -13 cm.
Elementos transuránicos- elementos químicos con una carga (número de protones) superior a la del uranio, es decir, Z > 92.
reacción en cadena de fisión- una reacción autosostenida de fisión de núcleos pesados, en la que los neutrones se reproducen continuamente, dividiendo cada vez más nuevos núcleos.
reacción en cadena de fisión- la secuencia de la reacción de fisión de los núcleos de átomos pesados cuando interactúan con neutrones u otras partículas elementales, como resultado de lo cual se forman núcleos más ligeros, nuevos neutrones u otras partículas elementales y se libera energía nuclear.
reacción nuclear en cadena- subsecuencia reacciones nucleares, excitado por partículas (por ejemplo, neutrones) producidas en cada acto de la reacción. Según el número medio de reacciones que siguen a una anterior -menor, igual o mayor que uno- la reacción se denomina amortiguada, autosuficiente o creciente.
Reacciones nucleares en cadena- Reacciones nucleares autosostenidas, en las que interviene secuencialmente una cadena de núcleos. Esto sucede cuando uno de los productos de una reacción nuclear reacciona con otro núcleo, el producto de la segunda reacción reacciona con el siguiente núcleo, y así sucesivamente. Se produce una cadena de reacciones nucleares sucesivas. Más famoso ejemplo tal reacción es una reacción de fisión nuclear causada por un neutrón
reacciones exotérmicas- reacciones nucleares que proceden con la liberación de energía.
Partículas elementales- las partículas más pequeñas de la materia física. Las ideas sobre las partículas elementales reflejan esa etapa en el conocimiento de la estructura de la materia que ha alcanzado la ciencia moderna. Junto con las antipartículas, se han descubierto unas 300 partículas elementales. El término "partículas elementales" es arbitrario, ya que muchas partículas elementales tienen una estructura interna compleja.
Partículas elementales- objetos materiales que no se pueden dividir en partes componentes. De acuerdo con esta definición, las partículas elementales no pueden incluir moléculas, átomos y núcleos atómicos que se pueden dividir en partes constituyentes: un átomo se divide en un núcleo y los electrones orbitales, un núcleo, en nucleones.
Rendimiento energético de una reacción nuclear- la diferencia entre las energías en reposo de núcleos y partículas antes y después de la reacción.
Reacciones endotérmicas- reacciones nucleares que proceden de la absorción de energía.
La energía de enlace del núcleo atómico.(E St): caracteriza la intensidad de la interacción de los nucleones en el núcleo y es igual a la energía máxima que se debe gastar para dividir el núcleo en nucleones separados que no interactúan sin impartirles energía cinética.
efecto mossba uera - el fenómeno de la absorción resonante de los cuantos gamma por parte de los núcleos atómicos sin pérdida de energía por el retorno del impulso.
Modelo nuclear (planetario) del átomo- en el centro hay un núcleo con carga positiva (diámetro de unos 10 -15 m); alrededor del núcleo, como los planetas del sistema solar, los electrones se mueven en órbitas circulares.
modelos nucleares– descripciones teóricas simplificadas de núcleos atómicos basadas en la representación del núcleo como un objeto con propiedades características predeterminadas.
Reacción de fisión nuclear- la reacción de fisión de núcleos atómicos de elementos pesados bajo la influencia de neutrones.
reacción nuclear- la reacción de transformación de los núcleos atómicos como resultado de la interacción entre sí o con cualquier partícula elemental.
La energía nuclear es la energía liberada como resultado de la reestructuración interna de los núcleos atómicos. La energía nuclear se puede obtener en reacciones nucleares o desintegración radiactiva de núcleos. Las principales fuentes de energía nuclear son las reacciones de fisión de núcleos pesados y la síntesis (combinación) de núcleos ligeros. Este último proceso también se llama reacciones termonucleares.
fuerzas nucleares- fuerzas que actúan entre nucleones en núcleos atómicos y que determinan la estructura y propiedades de los núcleos. Son de corto alcance, su alcance es de 10-15 m.
Reactor nuclear - un dispositivo en el que se lleva a cabo una reacción en cadena controlada de fisión nuclear.
Una reacción en cadena de fisión autosostenida es una reacción en cadena en un medio para el cual el factor de multiplicación k >= 1.
accidente nuclear- Un accidente nuclear es la pérdida de control de una reacción en cadena en un reactor, o la formación de una masa crítica durante la recarga, transporte y almacenamiento de barras de combustible. Como consecuencia de un accidente nuclear, las barras de combustible se dañan por el desequilibrio del calor generado y eliminado, con la liberación de productos de fisión radiactivos al exterior. En este caso, es posible la exposición potencialmente peligrosa de las personas y la contaminación del área circundante. .
seguridad nuclear- un término general que caracteriza las propiedades de una instalación nuclear durante el funcionamiento normal y, en caso de accidente, para limitar el impacto de la radiación en el personal, el público y el medio ambiente a límites aceptables.
Fisión nuclear- un proceso acompañado por la división del núcleo de un átomo pesado al interactuar con un neutrón u otra partícula elemental, como resultado de lo cual se forman núcleos más livianos, nuevos neutrones u otras partículas elementales y se libera energía.
material nuclear- cualquier material básico, material nuclear especial y, en ocasiones, minerales y desechos de minerales.
transformación nuclear - la transformación de un nucleido en otro.
Reactor nuclear- un dispositivo en el que se lleva a cabo una reacción nuclear en cadena controlada. Los reactores nucleares se clasifican según el propósito, la energía de los neutrones, el tipo de refrigerante y moderador, la estructura del núcleo, el diseño y otras características.
reacción nuclear- la transformación de los núcleos atómicos, causada por su interacción con partículas elementales, o entre sí, y acompañada por un cambio en la masa, carga o estado energético de los núcleos.
Combustible nuclear - material que contiene nucleidos fisionables que, cuando se colocan en un reactor nuclear, permiten que se produzca una reacción nuclear en cadena. Tiene una intensidad energética muy alta (con la fisión completa de 1 kg de U-235 se libera energía igual a J, mientras que la combustión de 1 kg de combustible orgánico libera energía del orden de (3-5) J, dependiendo del tipo de combustible).
ciclo del combustible nuclear- un conjunto de medidas para garantizar el funcionamiento de los reactores nucleares llevado a cabo en un sistema de empresas interconectadas por un flujo de material nuclear e incluyendo minas de uranio, plantas de procesamiento de mineral de uranio, conversión de uranio, enriquecimiento y fabricación de combustible, reactores nucleares, almacenamiento de combustible gastado instalaciones, plantas de reprocesamiento de combustible gastado combustibles y almacenamiento intermedio asociado e instalaciones de almacenamiento para la disposición final de desechos radiactivos
planta nuclear- cualquier instalación que genere, procese o manipule materiales radiactivos o fisionables en cantidades tales que deban tenerse en cuenta cuestiones de seguridad nuclear.
La energía nuclear- la energía interna de los núcleos atómicos liberada durante la fisión nuclear o las reacciones nucleares.
Reactor de energía nuclear- un reactor nuclear, cuyo objetivo principal es generar energía.
Reactor nuclear- un reactor nuclear es un dispositivo diseñado para organizar una reacción en cadena de fisión autosostenida controlada - una secuencia de reacciones de fisión nuclear, en la que se liberan neutrones libres, que son necesarios para la fisión de nuevos núcleos.
Reactor nuclear de neutrones rápidos- Los reactores difieren significativamente en el espectro de neutrones: la distribución de neutrones por energía y, en consecuencia, en el espectro de neutrones absorbidos (que causan la fisión nuclear). Si el núcleo no contiene núcleos ligeros especialmente diseñados para ralentizarse por dispersión elástica, prácticamente toda la ralentización se debe a la dispersión inelástica de los neutrones por los núcleos pesados y de peso medio. Donde La mayoría de la fisión es provocada por neutrones con energías del orden de decenas y centenas de keV. Estos reactores se denominan reactores de neutrones rápidos.
Reactor nuclear de neutrones térmicos- un reactor cuyo núcleo contiene tal cantidad de moderador - un material diseñado para reducir la energía de los neutrones sin una absorción apreciable de ellos, que la mayoría de las fisiones son causadas por neutrones con energías inferiores a 1 eV.
fuerzas nucleares- fuerzas que mantienen nucleones (protones y neutrones) en el núcleo.
Las fuerzas nucleares son corto alcance . Aparecen solo a distancias muy pequeñas entre nucleones en el núcleo del orden de 10 -15 m.La longitud (1.5 - 2.2) 10 -15 se llama gama de fuerzas nucleares .
Las fuerzas nucleares descubren independencia de carga , es decir, la atracción entre dos nucleones es la misma independientemente del estado de carga de los nucleones: protón o neutrón.
Las fuerzas nucleares tienen propiedad de saturación , que se manifiesta en el hecho de que el nucleón en el núcleo interactúa solo con un número limitado de nucleones vecinos más cercanos a él. La saturación casi completa de las fuerzas nucleares se logra en la partícula α, que es una formación muy estable.
fuerzas nucleares dependen de la orientación de los espines de los nucleones que interactúan . esto esta confirmado personaje diferente dispersión de neutrones por moléculas de orto y vapor de hidrógeno.
fuerzas nucleares no son centrales .
- Traducción
En el centro de cada átomo está el núcleo, una pequeña colección de partículas llamadas protones y neutrones. En este artículo, estudiaremos la naturaleza de los protones y los neutrones, que consisten en partículas aún más pequeñas: quarks, gluones y antiquarks. (Los gluones, como los fotones, son sus propias antipartículas). Los quarks y los gluones, hasta donde sabemos, pueden ser verdaderamente elementales (indivisibles y no compuestos de algo más pequeño). Pero a ellos más tarde.
Sorprendentemente, los protones y los neutrones tienen casi la misma masa, hasta un porcentaje:
- 0,93827 GeV/c 2 para un protón,
- 0,93957 GeV/c 2 para un neutrón.
Debido a que son tan similares y a que estas partículas forman núcleos, los protones y los neutrones a menudo se denominan nucleones.
Los protones se identificaron y describieron alrededor de 1920 (aunque se descubrieron antes; el núcleo de un átomo de hidrógeno es solo un protón), y los neutrones se encontraron alrededor de 1933. El hecho de que los protones y los neutrones sean tan similares entre sí se entendió casi de inmediato. Pero el hecho de que tengan un tamaño medible comparable al tamaño del núcleo (unas 100.000 veces más pequeñas que un átomo en radio) no se supo hasta 1954. Que están formados por quarks, antiquarks y gluones se comprendió gradualmente desde mediados de la década de 1960 hasta mediados de la de 1970. A finales de los 70 y principios de los 80, nuestra comprensión de los protones, los neutrones y de qué están hechos se había asentado en gran medida y no ha cambiado desde entonces.
Los nucleones son mucho más difíciles de describir que los átomos o los núcleos. Esto no quiere decir que los átomos sean simples en principio, pero al menos uno puede decir sin dudarlo que un átomo de helio consta de dos electrones en órbita alrededor de un pequeño núcleo de helio; y el núcleo de helio es un grupo bastante simple de dos neutrones y dos protones. Pero con los nucleones, no todo es tan simple. Ya escribí en el artículo "¿Qué es un protón y qué tiene dentro?" que el átomo es como un elegante minueto y el nucleón como una fiesta salvaje.
La complejidad del protón y el neutrón parece real y no proviene de un conocimiento físico incompleto. Tenemos ecuaciones que se usan para describir quarks, antiquarks y gluones, y las fuerzas nucleares fuertes que se dan entre ellos. Estas ecuaciones se denominan QCD, de "cromodinámica cuántica". La precisión de las ecuaciones se puede probar de varias maneras, incluida la medición de la cantidad de partículas que aparecen en el Gran Colisionador de Hadrones. Al conectar las ecuaciones de QCD a una computadora y ejecutar cálculos sobre las propiedades de los protones y neutrones y otras partículas similares (llamadas colectivamente "hadrones"), obtenemos predicciones de las propiedades de estas partículas que se aproximan bien a las observaciones realizadas en el mundo real. . Por lo tanto, tenemos motivos para creer que las ecuaciones de QCD no mienten y que nuestro conocimiento del protón y el neutrón se basa en las ecuaciones correctas. Pero tener las ecuaciones correctas no es suficiente, porque:
- Las ecuaciones simples pueden tener soluciones muy complejas,
- A veces no es posible describir soluciones complejas de forma sencilla.
Debido a la complejidad inherente de los nucleones, usted, el lector, tendrá que tomar una decisión: ¿cuánto quiere saber sobre la complejidad descrita? No importa cuán lejos vaya, lo más probable es que no esté satisfecho: cuanto más aprenda, más comprensible se volverá el tema, pero la respuesta final seguirá siendo la misma: el protón y el neutrón son muy complejos. Puedo ofrecerle tres niveles de comprensión, con detalles crecientes; puede detenerse después de cualquier nivel y pasar a otros temas, o puede sumergirse hasta el último. Cada nivel plantea preguntas que puedo responder en parte en el siguiente, pero las nuevas respuestas plantean nuevas preguntas. En resumen, como hago en discusiones profesionales con colegas y estudiantes avanzados, solo puedo referirlo a datos de experimentos reales, varios argumentos teóricos influyentes y simulaciones por computadora.
Primer nivel de comprensión.
¿De qué están hechos los protones y los neutrones?Arroz. 1: una versión simplificada de los protones, que consta de solo dos quarks up y uno down, y neutrones, que consta de solo dos quarks down y uno up
Para simplificar las cosas, muchos libros, artículos y sitios web afirman que los protones están formados por tres quarks (dos arriba y uno abajo) y dibujan algo así como una figura. 1. El neutrón es el mismo, solo consta de un quark arriba y dos abajo. Esta simple imagen ilustra lo que creían algunos científicos, principalmente en la década de 1960. Pero pronto quedó claro que este punto de vista estaba demasiado simplificado hasta el punto de que ya no era correcto.
A partir de fuentes de información más sofisticadas, aprenderá que los protones están formados por tres quarks (dos arriba y uno abajo) unidos por gluones, y puede aparecer una imagen similar a la Fig. 2, donde los gluones se dibujan como resortes o cuerdas que sostienen quarks. Los neutrones son iguales, con solo un quark up y dos quarks down.
Arroz. 2: mejora fig. 1 debido al énfasis en papel importante fuerza nuclear fuerte que mantiene los quarks en el protón
No es una mala manera de describir los nucleones, ya que enfatiza el importante papel de la fuerza nuclear fuerte, que mantiene los quarks en el protón a expensas de los gluones (de la misma manera que el fotón, la partícula que compone la luz, está asociado con la fuerza electromagnética). Pero eso también es confuso porque realmente no explica qué son los gluones o qué hacen.
Hay razones para seguir adelante y describir las cosas como lo hice en: un protón está formado por tres quarks (dos arriba y uno abajo), un grupo de gluones y una montaña de pares de quarks-antiquarks (principalmente quarks arriba y abajo). , pero también hay algunos raros). Todos vuelan de un lado a otro a velocidades muy altas (acercándose a la velocidad de la luz); todo este conjunto se mantiene unido por la fuerza nuclear fuerte. He mostrado esto en la Fig. 3. Los neutrones son de nuevo los mismos, pero con un quark up y dos down; el quark que ha cambiado de propietario se indica con una flecha.
Arroz. 3: representación más realista, aunque todavía no ideal, de protones y neutrones
Estos quarks, antiquarks y gluones no solo se escabullen de un lado a otro, sino que también chocan entre sí y se transforman entre sí a través de procesos como la aniquilación de partículas (en la que un quark y un antiquark del mismo tipo se convierten en dos gluones, o viceversa). viceversa) o absorción y emisión de un gluón (en la que un quark y un gluón pueden chocar y producir un quark y dos gluones, o viceversa).
¿Qué tienen en común estas tres descripciones?
- Dos quarks arriba y un quark abajo (más algo más) para un protón.
- Un quark up y dos quarks down (más algo más) para un neutrón.
- "Algo más" para los neutrones es lo mismo que "algo más" para los protones. Es decir, los nucleones tienen “algo más” igual.
- La pequeña diferencia de masa entre el protón y el neutrón aparece debido a la diferencia en las masas del quark down y el quark up.
- para los quarks up, la carga eléctrica es 2/3 e (donde e es la carga del protón, -e es la carga del electrón),
- los quarks down tienen una carga de -1/3e,
- los gluones tienen una carga de 0,
- cualquier quark y su antiquark correspondiente tienen una carga total de 0 (por ejemplo, el quark anti-down tiene una carga de +1/3e, por lo que el quark down y el antiquark down tendrán una carga de -1/3 e +1/ 3 e = 0),
- carga eléctrica total del protón 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- la carga eléctrica total del neutrón es 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- cuánto "algo más" dentro del nucleón,
- que hace ahi
- ¿De dónde provienen la masa y la energía de la masa (E = mc 2 , la energía presente incluso cuando la partícula está en reposo) del nucleón?
Arroz. 1 dice que los quarks, de hecho, representan un tercio de un nucleón, al igual que un protón o un neutrón representan un cuarto de un núcleo de helio o 1/12 de un núcleo de carbono. Si esta imagen fuera cierta, los quarks en el nucleón se moverían con relativa lentitud (a velocidades mucho más lentas que la velocidad de la luz) con fuerzas relativamente débiles actuando entre ellos (aunque con alguna fuerza poderosa manteniéndolos en su lugar). La masa del quark, arriba y abajo, sería entonces del orden de 0,3 GeV/c 2 , aproximadamente un tercio de la masa de un protón. Pero esta es una imagen simple, y las ideas que impone son simplemente incorrectas.
Arroz. 3. da una idea completamente diferente del protón, como un caldero de partículas que corren a través de él a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Estas partículas chocan entre sí, y en estas colisiones unas se aniquilan y otras se crean en su lugar. Los gluones no tienen masa, las masas de los quarks superiores son de aproximadamente 0,004 GeV/c 2 y las masas de los quarks inferiores son de aproximadamente 0,008 GeV/c 2, cientos de veces menos que un protón. De dónde proviene la energía de masa del protón, la pregunta es compleja: parte proviene de la energía de masa de los quarks y antiquarks, parte proviene de la energía de movimiento de los quarks, antiquarks y gluones, y parte (posiblemente positiva , posiblemente negativa) de la energía almacenada en la interacción nuclear fuerte, que mantiene unidos a los quarks, antiquarks y gluones.
En cierto sentido, la Fig. 2 intenta eliminar la diferencia entre la fig. 1 y la figura. 3. Simplifica el arroz. 3, eliminando muchos pares quark-antiquark, que, en principio, pueden llamarse efímeros, ya que surgen y desaparecen constantemente, y no son necesarios. Pero da la impresión de que los gluones en los nucleones son una parte directa de la fuerza nuclear fuerte que sostiene a los protones. Y no explica de dónde viene la masa del protón.
En la fig. 1 tiene otro inconveniente, además de los marcos estrechos del protón y el neutrón. No explica algunas de las propiedades de otros hadrones, como el pión y el mesón rho. Los mismos problemas existen en la Fig. 2.
Estas restricciones han llevado al hecho de que doy a mis alumnos y en mi sitio web una imagen de la fig. 3. Pero quiero advertirte que también tiene muchas limitaciones, las cuales consideraré más adelante.
Cabe señalar que la extrema complejidad de la estructura, implícita en la Fig. 3 es de esperar de un objeto que se mantiene unido por una fuerza tan poderosa como la fuerza nuclear fuerte. Y una cosa más: tres quarks (dos arriba y uno abajo para un protón) que no forman parte de un grupo de pares de quarks-antiquarks a menudo se denominan "quarks de valencia", y los pares de quarks-antiquarks se denominan "mar de pares de quarks". Tal lenguaje es técnicamente conveniente en muchos casos. Pero da la falsa impresión de que si pudieras mirar dentro del protón y mirar un quark en particular, podrías decir inmediatamente si era parte del mar o una valencia. Esto no se puede hacer, simplemente no existe tal manera.
Masa de protones y masa de neutrones
Dado que las masas del protón y el neutrón son tan similares, y dado que el protón y el neutrón difieren solo en el reemplazo de un quark up por un quark down, parece probable que sus masas se proporcionen de la misma manera, provengan de la misma fuente. , y su diferencia radica en la ligera diferencia entre los quarks arriba y abajo. . Pero las tres figuras de arriba muestran que hay tres puntos de vista muy diferentes sobre el origen de la masa del protón.Arroz. 1 dice que los quarks arriba y abajo simplemente constituyen 1/3 de la masa del protón y el neutrón: alrededor de 0,313 GeV/c 2 , o debido a la energía necesaria para mantener los quarks en el protón. Y dado que la diferencia entre las masas de un protón y un neutrón es una fracción de un porcentaje, la diferencia entre las masas de un quark up y down también debe ser una fracción de un porcentaje.
Arroz. 2 es menos claro. ¿Qué fracción de la masa de un protón existe debido a los gluones? Pero, en principio, de la figura se deduce que la mayor parte de la masa del protón todavía proviene de la masa de los quarks, como en la figura 1. una.
Arroz. 3 refleja un enfoque más sutil de cómo se produce realmente la masa del protón (como podemos verificar directamente a través de cálculos informáticos del protón, y no directamente usando otros métodos matemáticos). Es muy diferente de las ideas presentadas en la Fig. 1 y 2, y resulta que no es tan simple.
Para entender cómo funciona esto, no se debe pensar en términos de la masa m del protón, sino en términos de su energía de masa E = mc 2 , la energía asociada con la masa. conceptualmente pregunta correcta no será "de dónde viene la masa del protón m", después de lo cual puede calcular E multiplicando m por c 2 , sino viceversa: "¿de dónde viene la energía de la masa del protón E", después de lo cual puede calcular la masa m dividiendo E por c 2 .
Es útil clasificar las contribuciones a la energía de la masa del protón en tres grupos:
A) La energía de masa (energía en reposo) de los quarks y antiquarks contenidos en ella (gluones, partículas sin masa, no hacen ningún aporte).
B) Energía de movimiento (energía cinética) de quarks, antiquarks y gluones.
C) La energía de interacción (energía de enlace o energía potencial) almacenada en la interacción nuclear fuerte (más precisamente, en los campos de gluones) que contiene el protón.
Arroz. 3 dice que las partículas dentro del protón se mueven a gran velocidad, y que está lleno de gluones sin masa, por lo que la contribución de B) es mayor que la de A). Por lo general, en la mayoría sistemas físicos B) y C) son comparables, mientras que C) suele ser negativo. Entonces, la energía de masa del protón (y el neutrón) se deriva principalmente de la combinación de B) y C), con A) contribuyendo con una pequeña fracción. Por lo tanto, las masas del protón y el neutrón aparecen principalmente no por las masas de las partículas contenidas en ellos, sino por las energías de movimiento de estas partículas y la energía de su interacción asociada con los campos de gluones que generan las fuerzas que mantienen el protón En la mayoría de los otros sistemas con los que estamos familiarizados, el equilibrio de energías se distribuye de manera diferente. Por ejemplo, en los átomos y en el sistema solar, A) domina, mientras que B) y C) se obtienen mucho menos y son comparables en tamaño.
Resumiendo, señalamos que:
- Arroz. 1 sugiere que la energía de masa del protón proviene de la contribución A).
- Arroz. 2 sugiere que ambas contribuciones A) y C) son importantes, y B) hace una pequeña contribución.
- Arroz. 3 sugiere que B) y C) son importantes, mientras que la contribución de A) es insignificante.
Si la figura. 3 no miente, las masas del quark y del antiquark son muy pequeñas. ¿Cómo son realmente? La masa del quark top (así como la del antiquark) no supera los 0,005 GeV/c 2 , que es mucho menor que los 0,313 GeV/c 2 , que se deduce de la Fig. 1. (La masa del quark up es difícil de medir y este valor varía debido a efectos sutiles, por lo que puede ser mucho menor que 0,005 GeV/c2). La masa del quark bottom es aproximadamente 0,004 GeV/c 2 mayor que la masa del quark top. Esto significa que la masa de cualquier quark o antiquark no excede el uno por ciento de la masa de un protón.
Tenga en cuenta que esto significa (al contrario de la Fig. 1) que la relación entre la masa del quark down y el quark up no se aproxima a la unidad. La masa del quark down es al menos el doble de la del quark up. La razón por la que las masas del neutrón y el protón son tan similares no es que las masas de los quarks up y down sean similares, sino que las masas de los quarks up y down son muy pequeñas, y la diferencia entre ellas es pequeña. en relación con las masas del protón y el neutrón. Recuerde que para convertir un protón en un neutrón, simplemente necesita reemplazar uno de sus quarks arriba con un quark abajo (Figura 3). Este cambio es suficiente para hacer que el neutrón sea un poco más pesado que el protón y cambie su carga de +e a 0.
Por cierto, el hecho de que diferentes partículas dentro de un protón choquen entre sí, y aparezcan y desaparezcan constantemente, no afecta las cosas que estamos discutiendo: la energía se conserva en cualquier colisión. La energía de masa y la energía de movimiento de los quarks y gluones pueden cambiar, así como la energía de su interacción, pero la energía total del protón no cambia, aunque todo lo que hay dentro cambia constantemente. Entonces, la masa de un protón permanece constante, a pesar de su vórtice interno.
En este punto, puede detenerse y absorber la información recibida. ¡Asombroso! Prácticamente toda la masa contenida en la materia ordinaria proviene de la masa de los nucleones en los átomos. Y la mayor parte de esta masa proviene del caos inherente al protón y al neutrón: de la energía del movimiento de los quarks, gluones y antiquarks en los nucleones, y de la energía del trabajo de las interacciones nucleares fuertes que mantienen al nucleón en su estado completo. Sí: nuestro planeta, nuestros cuerpos, nuestra respiración son el resultado de un pandemónium tan silencioso y, hasta hace poco, inimaginable.
Todos los cuerpos físicos de la naturaleza están construidos a partir de un tipo de materia llamada materia. Las sustancias se dividen en dos grupos principales: sustancias simples y complejas.
Las sustancias compuestas son sustancias que pueden descomponerse en otras sustancias más simples mediante reacciones químicas. A diferencia de complejo sustancias simples Se denominan aquellas que no pueden descomponerse químicamente en sustancias aún más simples.
Un ejemplo de sustancia compleja es el agua, que puede descomponerse mediante una reacción química en otras dos sustancias más simples: hidrógeno y oxígeno. En cuanto a los dos últimos, ya no pueden descomponerse químicamente en sustancias más simples y, por lo tanto, son sustancias simples o, en otras palabras, elementos químicos.
En la primera mitad del siglo XIX, se suponía en la ciencia que los elementos químicos son sustancias inmutables que no tienen una relación común entre sí. Sin embargo, el científico ruso D. I. Mendeleev (1834 - 1907) reveló por primera vez en 1869 la relación de los elementos químicos, mostrando que la característica cualitativa de cada uno de ellos depende de su característica cuantitativa: el peso atómico.
Al estudiar las propiedades de los elementos químicos, D. I. Mendeleev notó que sus propiedades se repiten periódicamente según su peso atómico. Mostró esta periodicidad en forma de tabla, que se incluyó en la ciencia con el nombre de "Tabla periódica de elementos de Mendeleev".
A continuación se muestra la tabla periódica moderna de elementos químicos de Mendeleev.
átomos
De acuerdo con los conceptos modernos de la ciencia, cada elemento químico consiste en un conjunto de partículas materiales (materiales) más pequeñas llamadas átomos.
Un átomo es la fracción más pequeña de un elemento químico que ya no puede descomponerse químicamente en otras partículas materiales más pequeñas y simples.
Los átomos de elementos químicos de diferente naturaleza difieren entre sí en sus propiedades fisicoquímicas, estructura, tamaño, masa, peso atómico, energía propia y algunas otras propiedades. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno difiere marcadamente en sus propiedades y estructura de un átomo de oxígeno, y este último de un átomo de uranio, etc.
Se ha establecido que los átomos de los elementos químicos son de tamaño extremadamente pequeño. Si asumimos convencionalmente que los átomos tienen forma esférica, entonces sus diámetros deberían ser iguales a cien millonésimas de centímetro. Por ejemplo, el diámetro del átomo de hidrógeno -el átomo más pequeño de la naturaleza- es igual a la cienmillonésima parte de un centímetro (10 -8 cm), y los diámetros de los átomos más grandes, como el átomo de uranio, no superan los tres cien millonésimas de centímetro (3 10 -8 cm). En consecuencia, un átomo de hidrógeno es tantas veces más pequeño que una bola de un centímetro de radio, cuanto más pequeña es esta última que el globo.
De acuerdo con el tamaño muy pequeño de los átomos, su masa también es muy pequeña. Por ejemplo, la masa de un átomo de hidrógeno es m = 1,67 10 -24 g, lo que significa que un gramo de hidrógeno contiene aproximadamente 6 10 23 átomos.
1/16 del peso de un átomo de oxígeno se toma como unidad convencional de medida de los pesos atómicos de los elementos químicos.De acuerdo con este peso atómico de un elemento químico, se llama un número abstracto, que muestra cuántas veces el peso de un elemento químico dado es mayor que 1/16 del peso de un átomo de oxígeno.
EN tabla periódica elementos de D. I. Mendeleev, se dan los pesos atómicos de todos los elementos químicos (ver el número colocado debajo del nombre del elemento). De esta tabla, vemos que el átomo más ligero es el átomo de hidrógeno, que tiene un peso atómico de 1,008. El peso atómico del carbono es 12, el oxígeno es 16, y así sucesivamente.
En cuanto a los elementos químicos más pesados, su peso atómico supera el peso atómico del hidrógeno en más de doscientas veces. Entonces, el vert atómico del mercurio es 200.6, radio - 226, etc. Cuanto mayor sea el orden del número ocupado por un elemento químico en el sistema periódico de elementos, mayor será el peso atómico.
La mayoría de los pesos atómicos de los elementos químicos se expresan como números fraccionarios. Hasta cierto punto, esto se explica por el hecho de que tales elementos químicos consisten en un conjunto de muchos tipos de átomos que tienen diferentes pesos atómicos, pero las mismas propiedades químicas.
Los elementos químicos que ocupan el mismo número en el sistema periódico de los elementos, y por lo tanto tienen las mismas propiedades químicas pero diferentes pesos atómicos, se denominan isótopos.
Los isótopos se encuentran en la mayoría de los elementos químicos, tiene dos isótopos, calcio - cuatro, zinc - cinco, estaño - once, etc. Muchos isótopos se obtienen por el arte, algunos de ellos son de gran importancia práctica.
partículas elementales de materia
Durante mucho tiempo se creyó que los átomos de los elementos químicos son el límite de la divisibilidad de la materia, es decir, como si fueran los "ladrillos" elementales del universo. ciencia moderna rechazó esta hipótesis, estableciendo que el átomo de cualquier elemento químico es una colección de partículas materiales aún más pequeñas que el átomo mismo.
De acuerdo con la teoría electrónica de la estructura de la materia, un átomo de cualquier elemento químico es un sistema que consta de un núcleo central alrededor del cual giran partículas materiales "elementales" llamadas electrones. Los núcleos de los átomos, según los puntos de vista generalmente aceptados, consisten en un conjunto de partículas materiales "elementales": protones y neutrones.
Para comprender la estructura de los átomos y los procesos fisicoquímicos en ellos, es necesario familiarizarse al menos brevemente con las características principales de las partículas elementales que componen los átomos.
Determinó que Un electrón es una partícula material que tiene la carga eléctrica negativa más pequeña observada en la naturaleza..
Si asumimos condicionalmente que el electrón como partícula tiene forma esférica, entonces el diámetro del electrón debería ser igual a 4 · 10 -13 cm, es decir, es decenas de miles de veces más pequeño que el diámetro de cualquier átomo.
Un electrón, como cualquier otra partícula material, tiene masa. La "masa en reposo" de un electrón, es decir, la masa que tiene en un estado de reposo relativo, es igual a m o \u003d 9.1 10 -28 g.
La "masa en reposo" excepcionalmente pequeña del electrón indica que las propiedades inertes del electrón son extremadamente débiles, lo que significa que el electrón, bajo la influencia de una fuerza eléctrica variable, puede oscilar en el espacio con una frecuencia de muchos miles de millones de períodos por segundo.
La masa de un electrón es tan pequeña que se necesitarían 1027 unidades para obtener un gramo de electrones. Tener al menos alguna idea física de esto es colosal. números grandes Tomemos un ejemplo. Si un gramo de electrones pudiera colocarse en línea recta uno al lado del otro, formarían una cadena de cuatro mil millones de kilómetros de largo.
La masa de un electrón, como cualquier otra micropartícula real, depende de la velocidad de su movimiento. Un electrón, estando en un estado de reposo relativo, tiene una "masa de reposo", que es de naturaleza mecánica, como la masa de cualquier cuerpo físico. En cuanto a la "masa de movimiento" del electrón, que aumenta con el crecimiento de la velocidad de su movimiento, es de origen electromagnético. Se debe a la presencia de un electrón en movimiento. campo electromagnetico como una especie de materia con masa y energía electromagnética.
Cuanto más rápido se mueve el electrón, más se manifiestan las propiedades inerciales de su campo electromagnético, mayor, por tanto, la masa de este último y, en consecuencia, su energía electromagnética. Dado que el electrón con su campo electromagnético constituye un único sistema material orgánicamente conectado, es natural que la masa del movimiento del campo electromagnético del electrón pueda atribuirse directamente al electrón mismo.
Un electrón, además de las propiedades de una partícula, también tiene propiedades de onda. Se ha establecido por experiencia que el flujo de electrones, como el flujo de luz, se propaga en forma de movimiento ondulatorio. La naturaleza del movimiento ondulatorio del flujo de electrones en el espacio se confirma por los fenómenos de interferencia y difracción de las ondas electrónicas.
Interferencia de electrones es el fenómeno de superposición de testamentos electrónicos entre sí, y difracción de electrones- este es el fenómeno del redondeo de los bordes de una rendija estrecha por ondas de electrones a través de las cuales pasa el flujo de electrones. En consecuencia, un electrón no es solo una partícula, sino una "partícula-onda", cuya longitud depende de la masa y la velocidad del electrón.
Se ha establecido que el electrón, además de su movimiento de traslación, también realiza movimiento rotatorio alrededor de su eje. Este tipo de movimiento de electrones se llama "spin" (de la palabra inglesa "spin" - huso). Como resultado de tal movimiento, el electrón, además de las propiedades eléctricas debidas a la carga eléctrica, también adquiere propiedades magnéticas, asemejándose en este aspecto a un imán elemental.
Un protón es una partícula material que tiene una carga eléctrica positiva igual en valor absoluto a la carga eléctrica de un electrón.
La masa del protón es 1.67 · 10-24 g, es decir, es aproximadamente 1840 veces mayor que la "masa en reposo" del electrón.
A diferencia del electrón y el protón, El neutrón no tiene carga eléctrica, es decir, es una partícula de materia "elemental" eléctricamente neutra. La masa de un neutrón es prácticamente igual a la masa de un protón.
Los electrones, protones y neutrones, al estar en la composición de los átomos, interactúan entre sí. En particular, los electrones y los protones se atraen mutuamente como partículas con cargas eléctricas opuestas. Al mismo tiempo, un electrón de un electrón y un protón de un protón son repelidos como partículas con las mismas cargas eléctricas.
La interacción de todas estas partículas cargadas eléctricamente se produce a través de sus campos eléctricos. Estos campos son un tipo especial de materia, que consta de un conjunto de partículas materiales elementales llamadas fotones. Cada fotón tiene una cantidad de energía inherente estrictamente definida (cuanto de energía).
La interacción de partículas de material material cargadas eléctricamente se lleva a cabo intercambiándolas entre sí por fotones. La fuerza de interacción entre partículas cargadas eléctricamente se suele llamar fuerza electrica.
Los neutrones y los protones en los núcleos de los átomos también interactúan entre sí. Sin embargo, esta interacción entre ellos ya no se realiza a través de un campo eléctrico, ya que el neutrón es una partícula de materia eléctricamente neutra, sino a través del llamado campo nuclear.
Este campo es también un tipo especial de materia, que consiste en un conjunto de partículas materiales elementales llamadas mesones. La interacción de neutrones y protones se lleva a cabo mediante el intercambio de mesones entre sí. La fuerza de interacción de neutrones y protones entre sí se llama fuerza nuclear.
Se ha establecido que las fuerzas nucleares actúan en los núcleos de los átomos dentro de distancias extremadamente pequeñas, aproximadamente de 10 a 13 cm.Las fuerzas nucleares son mucho mayores que las fuerzas eléctricas de repulsión mutua de protones en el núcleo de un átomo. Esto lleva al hecho de que son capaces no solo de vencer las fuerzas de repulsión mutua de protones dentro de los núcleos de los átomos, sino también de crear sistemas de núcleos muy fuertes a partir de la totalidad de protones y neutrones.
La estabilidad del núcleo de cada átomo depende de la proporción de dos fuerzas en conflicto: nuclear (atracción mutua de protones y neutrones) y eléctrica (repulsión mutua de protones).
Las poderosas fuerzas nucleares que actúan en los núcleos de los átomos contribuyen a la transformación de neutrones y protones entre sí. Estas interconversiones de neutrones y protones se llevan a cabo como resultado de la liberación o absorción de partículas elementales más ligeras, como los mesones.
Las partículas que hemos considerado se llaman elementales porque no consisten en una colección de otras partículas de materia más simples. Pero al mismo tiempo, no debemos olvidar que son capaces de transformarse unos en otros, surgiendo a expensas unos de otros. Así, estas partículas son unas formaciones complejas, es decir, su elementalidad es condicional.
La estructura química de los átomos.
El átomo más simple en su estructura es el átomo de hidrógeno. Consiste en un conjunto de solo dos partículas elementales: un protón y un electrón. El protón en el sistema del átomo de hidrógeno desempeña el papel del núcleo central, alrededor del cual gira el electrón en una determinada órbita. En la fig. 1 muestra esquemáticamente un modelo de un átomo de hidrógeno.
Arroz. 1. Esquema de la estructura del átomo de hidrógeno.
Este modelo es sólo una aproximación aproximada a la realidad. El hecho es que el electrón como "partícula-onda" no tiene un volumen claramente delimitado del entorno externo. Y esto significa que no deberíamos hablar de una órbita lineal exacta del electrón, sino de una especie de nube de electrones. En este caso, el electrón ocupa con mayor frecuencia cierta línea media de la nube, que es una de sus posibles órbitas en el átomo.
Debe decirse que la órbita del electrón en sí no es estrictamente inalterable e inmóvil en el átomo; también, debido al cambio en la masa del electrón, realiza algún movimiento de rotación. En consecuencia, el movimiento de un electrón en un átomo es relativamente complejo. Dado que el núcleo del átomo de hidrógeno (protón) y el electrón que gira a su alrededor tienen cargas eléctricas opuestas, se atraen mutuamente.
Al mismo tiempo, la energía del electrón, al girar alrededor del núcleo del átomo, desarrolla una fuerza centrífuga que tiende a sacarlo del núcleo. Como consecuencia, fuerza electrica atracción mutua del núcleo de un átomo y un electrón, y fuerza centrífuga actuando sobre un electrón son fuerzas contradictorias.
En el equilibrio, su electrón ocupa una posición relativamente estable en alguna órbita del átomo. Dado que la masa de un electrón es muy pequeña, para equilibrar la fuerza de atracción del núcleo de un átomo, debe girar a una velocidad enorme, igual a aproximadamente 6 x 10 15 revoluciones por segundo. Esto significa que un electrón en el sistema del átomo de hidrógeno, como cualquier otro átomo, se mueve a lo largo de su órbita con una velocidad lineal superior a los mil kilómetros por segundo.
En condiciones normales, un electrón gira en un átomo del género a lo largo de la órbita más cercana al núcleo. Al mismo tiempo, tiene la mínima cantidad posible de energía. Si por una u otra razón, por ejemplo, bajo la influencia de algunas otras partículas materiales que han invadido el sistema del átomo, el electrón se mueve a una órbita más distante del átomo, entonces ya tendrá una cantidad algo mayor de energía. energía.
Sin embargo, el electrón permanece en esta nueva órbita durante un tiempo insignificante, luego de lo cual gira nuevamente a la órbita más cercana al núcleo del átomo. Con este movimiento, emite un exceso de su energía en forma de un cuanto de radiación electromagnética. energía radiante(Figura 2).
Arroz. 2. Un electrón, al pasar de una órbita lejana a otra más cercana al núcleo de un átomo, emite un cuanto de energía radiante
Cuanta más energía recibe el electrón del exterior, más lejos del núcleo del átomo va a la órbita y más energía electromagnética irradia cuando gira a la órbita más cercana al núcleo.
Al medir la cantidad de energía emitida por un electrón durante la transición de varias órbitas a la más cercana al núcleo atómico, fue posible establecer que un electrón en el sistema del átomo de hidrógeno, como en el sistema de cualquier otro átomo, no puede ir a ninguna órbita arbitraria, a una estrictamente definida de acuerdo con esa energía que recibe bajo la acción Fuerza externa. Las órbitas que puede ocupar un electrón en un átomo se denominan órbitas permitidas.
Dado que la carga positiva del núcleo del átomo de hidrógeno (carga del protón) y la carga negativa del electrón son numéricamente iguales, su carga total es cero. Esto significa que el átomo de hidrógeno, estando en el estado normal, es una partícula eléctricamente neutra.
Esto es cierto para los átomos de todos los elementos químicos: un átomo de cualquier elemento químico en su estado normal es una partícula eléctricamente neutra debido a la igualdad numérica de sus cargas positivas y negativas.
Dado que sólo una partícula "elemental", el protón, está incluida en el núcleo del átomo de hidrógeno, el llamado número de masa de este núcleo es igual a uno. El número de masa del núcleo de un átomo de cualquier elemento químico es el número total de protones y neutrones que forman dicho núcleo.
El hidrógeno natural consiste principalmente en una colección de átomos con un número de masa igual a uno. Sin embargo, también contiene otro tipo de átomos de hidrógeno, con un número de masa igual a dos. Los núcleos atómicos de este hidrógeno pesado, llamados deuterones, consisten en dos partículas: un protón y un neutrón. Este isótopo de hidrógeno se llama deuterio.
El hidrógeno natural contiene muy poco deuterio. Por cada seis mil átomos de hidrógeno ligero (el número de masa es uno), solo hay un átomo de deuterio (hidrógeno pesado). Hay otro isótopo de hidrógeno: el hidrógeno superpesado llamado tritio. En los núcleos del átomo de este isótopo de hidrógeno hay tres partículas: un protón y dos neutrones, unidas entre sí por fuerzas nucleares. El número de masa del núcleo del átomo de tritio es tres, es decir, el átomo de tritio es tres veces más pesado que el átomo de hidrógeno ligero.
Aunque los átomos de los isótopos de hidrógeno tienen masas diferentes, siguen teniendo las mismas propiedades químicas. Por ejemplo, el hidrógeno ligero, al entrar en interacción química con oxígeno, forma con él sustancia compleja- agua. De manera similar, el isótopo de hidrógeno - deuterio, cuando se combina con oxígeno, forma agua, que, a diferencia del agua ordinaria, se llama agua pesada. El agua pesada es de gran utilidad en la producción de energía nuclear (atómica).
En consecuencia, las propiedades químicas de los átomos no dependen de la masa de sus núcleos, sino únicamente de la estructura de la capa electrónica del átomo. Dado que los átomos de hidrógeno ligero, deuterio y tritio tienen el mismo numero electrones (uno por cada átomo), estos isótopos tienen las mismas propiedades químicas.
No es casualidad que el elemento químico hidrógeno ocupe el primer número en el sistema periódico de los elementos. El hecho es que entre el número de cualquier elemento en el sistema periódico de elementos y el valor de la carga del núcleo de un átomo de este elemento, existe alguna conexión. Se puede formular así: el número de serie de cualquier elemento químico en el sistema periódico de elementos es numéricamente igual a la carga positiva del núcleo de este elemento y, en consecuencia, al número de electrones que giran alrededor de él.
Dado que el hidrógeno ocupa el primer número en el sistema periódico de los elementos, esto significa que la carga positiva del núcleo de su átomo es igual a uno y que un electrón gira alrededor del núcleo.
El elemento químico helio ocupa el segundo número en el sistema periódico de elementos. Esto significa que tiene una carga eléctrica positiva del núcleo, igual a dos unidades, es decir, su núcleo debe contener dos protones y dos electrodos en la capa electrónica del átomo.
El helio natural consta de dos isótopos: helio pesado y ligero. El número de masa del helio pesado es cuatro. Esto significa que la composición del núcleo de un átomo pesado de helio, además de los dos protones anteriores, debe incluir dos neutrones más. En cuanto al helio ligero, su número de masa es igual a tres, es decir, además de dos protones, su núcleo debe incluir un neutrón más.
Se ha establecido que en el helio natural el número de átomos de helio ligero es aproximadamente una millonésima parte de los átomos de genio pesado. En la fig. 3 muestra un modelo esquemático de un átomo de helio.
Arroz. 3. Esquema de la estructura del átomo de helio.
Se produce una complicación adicional de la estructura de los átomos de los elementos químicos debido a un aumento en la cantidad de protones y neutrones en los núcleos de estos átomos y, al mismo tiempo, debido a un aumento en la cantidad de electrones que giran alrededor de los núcleos (Fig. . 4). Tomar ventaja sistema periódico elementos, es fácil determinar el número de electrones, protones y neutrones que componen varios átomos.
Arroz. 4. Esquemas de la estructura de los núcleos de los átomos: 1 - helio, 2 - carbono, 3 - oxígeno
El número de serie de un elemento químico es igual al número de protones en el núcleo de un átomo, y al mismo tiempo al número de electrones que giran alrededor del núcleo. En cuanto al peso atómico, es aproximadamente igual al número de masa del átomo, es decir, el número de protones y neutrones juntos en el núcleo. Por lo tanto, restando del peso atómico de un elemento un número igual al número ordinal del elemento, se puede determinar cuántos neutrones hay en un núcleo dado.
Se ha establecido que los núcleos de los elementos químicos ligeros, que contienen por igual protones y neutrones, son muy fuertes, ya que las fuerzas nucleares en ellos son relativamente grandes. Por ejemplo, el núcleo de un átomo de helio pesado es excepcionalmente fuerte, ya que está compuesto por dos protones y dos neutrones unidos por poderosas fuerzas nucleares.
Los núcleos de los átomos de los elementos químicos más pesados ya contienen en su composición un número desigual de protones y neutrones, por lo que su unión en el núcleo es más débil que en los núcleos de los elementos químicos ligeros. Los núcleos de estos elementos pueden dividirse con relativa facilidad cuando son bombardeados con "proyectiles" atómicos (neutrones, núcleos del átomo de helio, etc.).
En cuanto a los elementos químicos más pesados, en particular los radiactivos, sus núcleos se distinguen por una resistencia tan baja que se descomponen espontáneamente en sus partes componentes. Por ejemplo, los átomos del elemento radiactivo radio, que consisten en una combinación de 88 protones y 138 neutrones, se descomponen espontáneamente y se convierten en átomos del elemento radiactivo radón. Los átomos de este último, a su vez, se descomponen en partes constituyentes, pasando a átomos de otros elementos.
Familiarizarse brevemente con partes constituyentes núcleos de átomos de elementos químicos, considere la estructura de las capas de electrones de los átomos. Como se sabe, los electrones pueden girar alrededor de los núcleos de los átomos solo en órbitas estrictamente definidas. Además, están tan agrupados en la capa de electrones de cada átomo que se pueden distinguir capas individuales de electrones.
Cada capa puede contener el número de electrones, sin exceder un número estrictamente definido. Entonces, por ejemplo, en la primera capa de electrones más cercana al núcleo de un átomo, puede haber un máximo de dos electrones, en el segundo, no más de ocho electrones, etc.
Aquellos átomos en los que las capas de electrones exteriores están completamente llenas tienen la capa de electrones más estable. Esto significa que este átomo retiene firmemente todos sus electrones y no necesita recibir una cantidad adicional de ellos del exterior. Por ejemplo, un átomo de helio tiene dos electrones que llenan completamente la primera capa de electrones, y un átomo de neón tiene diez electrones, de los cuales los dos primeros llenan completamente la primera capa de electrones y el resto, la segunda (Fig. 5).
Arroz. 5. Esquema de la estructura del átomo de neón.
En consecuencia, los átomos de helio y neón tienen capas de electrones bastante estables, no buscan modificarlos cuantitativamente de ninguna manera. Dichos elementos son químicamente inertes, es decir, no entran en interacción química con otros elementos.
Sin embargo, la mayoría de los elementos químicos tienen átomos en los que las capas electrónicas externas no están completamente llenas de electrones. Por ejemplo, un átomo de potasio tiene diecinueve electrones, de los cuales dieciocho llenan por completo las tres primeras capas, y el electrón diecinueve está solo en la siguiente capa de electrones sin llenar. El llenado débil de la cuarta capa de electrones con electrones conduce al hecho de que el núcleo del átomo contiene muy débilmente el más externo: el decimonoveno electrón y, por lo tanto, este último puede ser fácilmente arrancado del átomo. .
O, por ejemplo, un átomo de oxígeno tiene ocho electrones, de los cuales dos llenan completamente la primera capa y los seis restantes se encuentran en la segunda capa. Así, para completar la construcción de la segunda capa de electrones en el átomo de oxígeno, solo faltan dos electrones. Por lo tanto, el átomo de oxígeno no solo mantiene firmemente sus seis electrones en la segunda capa, sino que también tiene la capacidad de atraer dos electrones que faltan para llenar su segunda capa de electrones. Él logra esto por compuesto químico con átomos de tales elementos en los que los electrones externos están débilmente unidos a sus núcleos.
Los elementos químicos cuyos átomos no tienen capas electrónicas externas completamente llenas de electrones son, por regla general, químicamente activos, es decir, entran fácilmente en interacción química.
Entonces, los electrones en los átomos de los elementos químicos están dispuestos en un orden estrictamente definido, y cualquier cambio en su disposición espacial o número en la capa de electrones de un átomo conduce a un cambio en las propiedades fisicoquímicas de este último.
La igualdad del número de electrones y protones en el sistema de un átomo es la razón por la que su carga eléctrica total es igual a cero. Si se viola la igualdad del número de electrones y protones en el sistema de un átomo, entonces el átomo se convierte en un sistema cargado eléctricamente.
Un átomo en cuyo sistema el equilibrio de opuestos cargas eléctricas debido al hecho de que perdió parte de sus electrones o, por el contrario, adquirió un número excesivo de ellos, se llama ion.
Por el contrario, si un átomo adquiere un cierto exceso de electrones, se convierte en un ion negativo. Por ejemplo, un átomo de cloro, después de haber recibido un electrón adicional, se convierte en un ion de cloro negativo Cl - de una sola carga. El átomo de oxígeno, que ha recibido dos electrones adicionales, se convierte en un ion de oxígeno negativo O doblemente cargado, etc.
Un átomo que se ha convertido en un ion se convierte en un sistema cargado eléctricamente en relación con el entorno externo. Y esto significa que el átomo comenzó a tener un campo eléctrico, junto con el cual constituye un solo sistema material y a través de este campo lleva a cabo una interacción eléctrica con otras partículas de materia cargadas eléctricamente: iones, electrones, núcleos atómicos cargados positivamente, etc.
La capacidad de los iones diferentes para atraerse mutuamente es la razón por la que se combinan químicamente, formando partículas de materia más complejas: moléculas.
En conclusión, cabe señalar que las dimensiones de un átomo son muy grandes en comparación con las dimensiones de las partículas materiales que lo componen. El núcleo del átomo más complejo, junto con todos los electrones, ocupa una billonésima parte del volumen del átomo. Un simple cálculo muestra que si un metro cúbico de platino pudiera comprimirse con tanta fuerza que desaparecieran los espacios intraatómicos e interatómicos, entonces se obtendría un volumen equivalente a aproximadamente un milímetro cúbico.
