Tyrinėdami medžiagos struktūrą, fizikai sužinojo, iš ko susideda atomai, pateko į atominį branduolį ir padalijo jį į protonus ir neutronus. Visi šie žingsniai buvo atlikti gana lengvai - reikėjo tik pagreitinti daleles iki reikiamos energijos, stumti jas viena prieš kitą, o tada jos pačios sugriuvo į savo sudedamąsias dalis.
Tačiau su protonais ir neutronais šis triukas nepasiteisino. Nors jos yra sudedamosios dalelės, jų negalima „suskaldyti“ net stipriausio susidūrimo metu. Todėl fizikams prireikė dešimtmečių, kad sugalvotų įvairius būdus pažvelgti į protoną, pamatyti jo struktūrą ir formą. Šiais laikais protono sandaros tyrimas yra viena iš aktyviausių elementariųjų dalelių fizikos sričių.
Gamta duoda užuominų
Protonų ir neutronų struktūros tyrimo istorija prasidėjo 1930 -aisiais. Kai, be protonų, buvo atrasti neutronai (1932 m.), Matuojant jų masę, fizikai nustebę pamatė, kad jis yra labai artimas protono masei. Be to, paaiškėjo, kad protonai ir neutronai branduolinę sąveiką „jaučia“ lygiai taip pat. Tiek daug, kad branduolinių jėgų požiūriu protoną ir neutroną galima laikyti dviem tos pačios dalelės - nukleono - apraiškomis: protonas yra elektra įkrautas nukleonas, o neutronas yra neutralus nukleonas . Pakeiskite protonus neutronais ir branduolinės pajėgos (beveik) nieko nepastebės.
Fizikai šią gamtos savybę išreiškia kaip simetriją - branduolinė sąveika yra simetriška protonų pakeitimo neutronais atžvilgiu, kaip ir drugelis yra simetriškas, pakeičiant kairę dešine. Ši simetrija ne tik atliko svarbų vaidmenį branduolinėje fizikoje, bet ir buvo pirmoji užuomina, kad nukleonai turi įdomią vidinę struktūrą. Tiesa, tada, praėjusio amžiaus 30 -aisiais, fizikai šios užuominos nesuprato.
Supratimas atėjo vėliau. Prasidėjo tai, kad 4–5 dešimtmetyje, protonų susidūrimų su įvairių elementų branduoliais reakcijose, mokslininkai nustebo radę vis daugiau dalelių. Ne protonai, ne neutronai, iki to laiko neatrasti pi-mezonai, kurie branduoliuose laiko nukleonus, bet kai kurios visiškai naujos dalelės. Nepaisant visų jų įvairovės, šios naujos dalelės turėjo du bendrus dalykus. Pirma, jie, kaip ir nukleonai, labai noriai dalyvavo branduolinėje sąveikoje - dabar tokios dalelės vadinamos hadronais. Antra, jie buvo labai nestabilūs. Pats nestabiliausias iš jų suskilo į kitas daleles vos per trilijoną nanosekundės, neturėdamas laiko nuskristi net atominio branduolio dydžio!
Ilgą laiką hadrono zoologijos sodas buvo visiška netvarka. 5 -ojo dešimtmečio pabaigoje fizikai jau išmoko daug įvairių hadronų tipų, pradėjo juos lyginti tarpusavyje ir staiga pamatė tam tikrą bendrą simetriją, netgi jų savybių periodiškumą. Buvo pasiūlyta, kad visų hadronų (įskaitant nukleonus) viduje yra keletas paprastų objektų, vadinamų „kvarkomis“. Sujungę kvarkus įvairiais būdais, galite gauti skirtingų hadronų, kurie yra tokio tipo ir turi tokias savybes, kurios buvo rastos eksperimente.
Kas daro protoną protonu?
Fizikams atradus hadronų kvarko įtaisą ir sužinojus, kad yra keletas skirtingų kvarkų rūšių, paaiškėjo, kad iš kvarkų galima sukurti daug skirtingų dalelių. Taigi nebestebino, kai vėlesni eksperimentai vienas po kito ir toliau rado naujų hadronų. Tačiau tarp visų hadronų buvo atrasta visa dalelių šeima, kurią, kaip ir protoną, sudarė tik dvi u-kvarkai ir vienas d-kvark. Savotiški protono „broliai“. Ir čia fizikai buvo netikėti.
Pirmiausia atlikime vieną paprastą pastebėjimą. Jei turime kelis objektus, susidedančius iš tų pačių „plytų“, tai sunkesniuose objektuose yra daugiau „plytų“, o lengvesniuose - mažiau. Tai labai natūralus principas, kurį galima pavadinti derinio principu arba antstato principu, ir jis puikiai veikia tiek kasdieniame gyvenime, tiek fizikoje. Tai pasireiškia net atominių branduolių išdėstyme - juk sunkesnius branduolius paprasčiausiai sudaro didesnis protonų ir neutronų skaičius.
Tačiau kvarkų lygmeniu šis principas visiškai neveikia, ir, turiu pripažinti, fizikai dar nėra iki galo išsiaiškinę, kodėl. Pasirodo, kad sunkieji protono atitikmenys taip pat susideda iš tų pačių kvarkų, kaip ir protonas, nors jie yra pusantro ar net du kartus sunkesni už protoną. Jie skiriasi nuo protono (ir skiriasi vienas nuo kito) kompozicija, bet abipusiai vietą kvarkai - būsena, kurioje šie kvarkai yra vienas kito atžvilgiu. Pakanka pakeisti abipusę kvarkų padėtį - ir mes gauname kitą, daug sunkesnę dalelę iš protono.
O kas atsitiks, jei vis tiek paimsite ir surinksite daugiau nei tris kvarkus? Ar bus nauja sunki dalelė? Keista, kad tai neveiks - kvarkai suskaidys į tris ir virs keliomis išsibarsčiusiomis dalelėmis. Kažkodėl gamtai „nepatinka“ sujungti daugybę kvarkų į vieną visumą! Tik visai neseniai, pažodžiui pastaraisiais metais, pradėjo pasirodyti užuominos, kad kai kurios daugialypės dalelės iš tiesų egzistuoja, tačiau tai tik pabrėžia, kiek gamta jų nemėgsta.
Iš šios kombinatorinės teorijos išplaukia labai svarbi ir gili išvada - hadronų masė visai nesudaro kvarkų masės. Bet jei hadrono masę galima padidinti arba sumažinti, paprasčiausiai sujungiant jos sudedamąsias dalis, patys kvarkai nėra atsakingi už hadronų masę. Iš tiesų, vėlesnių eksperimentų metu buvo galima išsiaiškinti, kad pačių kvarkų masė sudaro tik apie du procentus protono masės, o likusi gravitacija atsiranda dėl jėgos lauko (specialios dalelės - gluonai atitinka it), kuris suriša kvarkus. Keisdami abipusį kvarkų išsidėstymą, pavyzdžiui, atitolindami juos vienas nuo kito, mes taip keičiame gluono debesį, padarome jį masyvesnį, todėl hadrono masė didėja (1 pav.).
Kas vyksta greitai judančio protono viduje?
Viskas, kas aprašyta aukščiau, susijusi su nejudančiu protonu, fizikų kalba - tai protono įrenginys jo poilsio sistemoje. Tačiau eksperimento metu protono struktūra pirmą kartą buvo atrasta skirtingomis sąlygomis - viduje greitas skraidymas protonas.
Septintojo dešimtmečio pabaigoje, eksperimentuojant su dalelių susidūrimais greitintuvais, buvo pastebėta, kad beveik šviesos greičiu skraidantys protonai elgėsi taip, lyg jų viduje esanti energija nebūtų tolygiai paskirstyta, o sutelkta į atskirus kompaktiškus objektus. Garsus fizikas Richardas Feynmanas pasiūlė šias materijos sankaupas pavadinti protonų viduje partonai(iš anglų kalbos dalis - dalis).
Vėlesniuose eksperimentuose buvo tiriama daugybė partonų savybių - pavyzdžiui, jų elektros krūvis, skaičius ir protono energijos dalis, kurią kiekvienas iš jų neša. Pasirodo, įkrauti partonai yra kvarkai, o neutralūs - gluonai. Taip, taip, patys gluonai, kurie likusiame protono rėmelyje tiesiog „tarnavo“ kvarkams, traukdami juos vienas prie kito, dabar yra nepriklausomi partonai ir kartu su kvarkomis neša „materiją“ ir sparčiai augančios energijos skraidantis protonas. Eksperimentai parodė, kad maždaug pusė energijos yra sukaupta kvarkuose, o pusė - gluonuose.
Partonai patogiausiai tiriami protonų susidūrimuose su elektronais. Faktas yra tas, kad, skirtingai nei protonas, elektronas nedalyvauja stiprioje branduolinėje sąveikoje ir jo susidūrimas su protonu atrodo labai paprastas: elektronas labai trumpą laiką skleidžia virtualų fotoną, kuris atsitrenkia į įkrautą partoną ir galiausiai sukuria didelis dalelių skaičius (2 pav.). Galime sakyti, kad elektronas yra puikus skalpelis protonui „atidaryti“ ir atskirti į atskiras dalis - nors ir tik labai trumpam. Žinant, kaip dažnai tokie procesai vyksta greitintuve, galima išmatuoti partonų skaičių protone ir jų krūvius.
Kas iš tikrųjų yra partijos?
Ir štai prieiname prie dar vieno stulbinančio fizikų atradimo, tiriančio elementarių dalelių susidūrimus esant didelei energijai.
Įprastomis sąlygomis klausimas, iš ko susideda objektas, turi universalų atsakymą į visus atskaitos rėmus. Pavyzdžiui, vandens molekulę sudaro du vandenilio atomai ir vienas deguonies atomas - ir nesvarbu, ar žiūrime į nejudančią, ar į judančią molekulę. Tačiau ši taisyklė atrodo tokia natūrali! - pažeidžiamas, kai kalbama apie elementarias daleles, judančias arti šviesos greičio. Viename atskaitos rėmelyje sudėtingą dalelę gali sudaryti vienas dalinių dalelių rinkinys, o kitoje atskaitos sistemoje - kita. Paaiškėjo, kad kompozicija yra santykinė sąvoka!
Kaip tai gali būti? Svarbiausia čia yra viena svarbi savybė: dalelių skaičius mūsų pasaulyje nėra fiksuotas - dalelės gali gimti ir išnykti. Pavyzdžiui, jei susidursite su dviem pakankamai didelės energijos elektronais, be šių dviejų elektronų gali atsirasti arba fotonas, arba elektronų-pozitronų pora, arba kai kurios kitos dalelės. Visa tai leidžia kvantiniai dėsniai, ir būtent taip atsitinka realiuose eksperimentuose.
Tačiau šis dalelių „neišsaugojimo įstatymas“ veikia susidūrimų metu dalelės. Bet kaip atrodo, kad tas pats protonas iš skirtingų požiūrių atrodo kaip sudarytas iš skirtingų dalelių? Esmė ta, kad protonas nėra tik trys sukrauti kvarkai. Tarp kvarkų yra gluono jėgos laukas. Apskritai jėgos laukas (pvz., Gravitacinis ar elektrinis laukas) yra savotiškas materialus „subjektas“, prasiskverbiantis į erdvę ir leidžiantis dalelėms daryti jėgą viena kitai. Kvantinėje teorijoje laukas taip pat susideda iš dalelių, nors ir iš specialių - virtualių. Šių dalelių skaičius nėra fiksuotas, jos nuolat „atsukamos“ nuo kvarkų ir absorbuojamos kitų kvarkų.
Ilsintis protoną tikrai galima įsivaizduoti kaip tris kvarkus, tarp kurių šokinėja gluonai. Bet jei pažvelgsime į tą patį protoną iš kito atskaitos rėmo, tarsi pro pro šalį einančio „reliatyvistinio traukinio“ langą, pamatysime visiškai kitokį vaizdą. Tie virtualūs gluonai, kurie suklijavo kvarkus, atrodys mažiau virtualios, „tikresnės“ dalelės. Jie, žinoma, vis dar gimsta ir yra absorbuojami kvarkų, tačiau tuo pačiu jie kurį laiką gyvena savarankiškai, skrenda šalia kvarkų, kaip tikros dalelės. Tai, kas atrodo kaip paprastas jėgos laukas viename atskaitos sistemoje, virsta dalelių srautu kitame kadre! Atkreipkite dėmesį, kad mes neliečiame paties protono, o tik žiūrime į jį iš kitos atskaitos sistemos.
Dar daugiau. Kuo mūsų „reliatyvistinio traukinio“ greitis arčiau šviesos greičio, tuo nuostabesnį vaizdą pamatysime protono viduje. Artėjant šviesos greičiui pastebėsime, kad protono viduje yra vis daugiau gluonų. Be to, jie kartais suskyla į kvarkų ir antikvarų poras, kurios taip pat skraido netoliese ir taip pat laikomos partonais. Dėl to ultrarelatyvistinis protonas, tai yra protonas, judantis mūsų atžvilgiu tokiu greičiu, kuris yra labai artimas šviesos greičiui, atrodo kaip tarpusavyje besiskverbiantys kvarkų, antikvarkų ir gluonų debesys, kurie skrenda kartu ir, atrodo, palaiko vienas kitą (1 pav.). . 3).
Skaitytojas, susipažinęs su reliatyvumo teorija, gali sunerimti. Visa fizika grindžiama principu, kad bet koks procesas vyksta vienodai visuose inerciniuose atskaitos rėmuose. Ir tada paaiškėja, kad protono sudėtis priklauso nuo atskaitos sistemos, iš kurios mes ją stebime?!
Taip, būtent taip, tačiau tai jokiu būdu nepažeidžia reliatyvumo principo. Fizinių procesų rezultatai, pavyzdžiui, kurios dalelės ir kiek jų gimsta susidūrimo metu, pasirodo nekintami, nors protono sudėtis priklauso nuo atskaitos sistemos.
Ši iš pirmo žvilgsnio neįprasta, bet visus fizikos dėsnius atitinkanti situacija schemiškai pavaizduota 4 paveiksle. Ji parodo, kaip dviejų didelės energijos protonų susidūrimas atrodo skirtinguose atskaitos rėmuose: likusiame vieno protono rėmelyje, masės rėmo centras, likusiame kito protono rėmelyje ... Protonų sąveika vykdoma per skaidančių glionų kaskadą, tačiau tik vienu atveju ši kaskada laikoma vieno protono „vidumi“, kitu atveju - kito protono dalimi, o trečiuoju - jis yra tik objektas, kuriuo keičiasi du protonai. Ši kaskada egzistuoja, ji yra tikra, tačiau kuriai proceso daliai ji turėtų būti priskirta, priklauso nuo atskaitos sistemos.
3D protono portretas
Visi rezultatai, kuriuos ką tik aprašėme, buvo pagrįsti eksperimentais, atliktais gana seniai - praėjusio amžiaus 60–70 -aisiais. Atrodytų, kad nuo to laiko reikėtų viską ištirti ir į visus klausimus rasti atsakymus. Bet ne - protono struktūra vis dar yra viena įdomiausių dalelių fizikos temų. Be to, pastaraisiais metais susidomėjimas juo vėl padidėjo, nes fizikai sugalvojo, kaip gauti „trimatį“ greitai judančio protono portretą, kuris pasirodė esąs daug sudėtingesnis nei stacionaraus protono portretas.
Klasikiniai protonų susidūrimo eksperimentai pasakoja tik apie partonų skaičių ir jų energijos pasiskirstymą. Tokiuose eksperimentuose partonai dalyvauja kaip nepriklausomi objektai, o tai reiškia, kad neįmanoma iš jų sužinoti, kaip partonai yra vienas kito atžvilgiu, kaip tiksliai jie susideda iš protono. Galime sakyti, kad ilgą laiką fizikai turėjo prieigą tik prie „vienmačio“ greitai skraidančio protono portreto.
Norint sukonstruoti tikrą, trimatį protono portretą ir išsiaiškinti partonų pasiskirstymą erdvėje, reikalingi daug subtilesni eksperimentai nei prieš 40 metų. Fizikai tokius eksperimentus išmoko rengti visai neseniai, pažodžiui per pastarąjį dešimtmetį. Jie suprato, kad tarp daugybės skirtingų reakcijų, kurios atsiranda elektronui susidūrus su protonu, yra viena ypatinga reakcija - gilus virtualus „Compton“ sklaida, - kuris galės papasakoti apie trimatę protono struktūrą.
Apskritai, elastingas fotono susidūrimas su dalele, pavyzdžiui, protonu, vadinamas Komptono sklaida arba Komptono efektu. Tai atrodo taip: atvyksta fotonas, jį sugeria protonas, kuris trumpam pereina į sužadintą būseną, o paskui grįžta į pradinę būseną, skleidžia fotoną tam tikra kryptimi.
Komptono paprastų šviesos fotonų sklaida nesukelia nieko įdomaus - tai paprastas šviesos atspindys iš protono. Norint „įsijungti“ į vidinę protono struktūrą ir „pajusti“ kvarkų pasiskirstymą, būtina naudoti labai didelės energijos fotonus - milijardus kartų daugiau nei įprastoje šviesoje. Ir tik tokius fotonus - tikrus, virtualius - lengvai sukuria atsitiktinis elektronas. Jei dabar sujungsime vieną su kitu, tada gausime giliai virtualų „Compton“ sklaidą (5 pav.).
Pagrindinis šios reakcijos bruožas yra tai, kad ji nesunaikina protono. Krentantis fotonas ne tik pataiko į protoną, bet ir tarsi atsargiai jį zonduoja, o paskui išskrenda. Kryptis, kuria jis skrenda ir kokią energijos dalį protonas iš jo atima, priklauso nuo protono sandaros, nuo santykinės partonų padėties jo viduje. Štai kodėl, studijuojant šį procesą, galima atkurti trimatę protono išvaizdą, tarsi „iškalti jo skulptūrą“.
Tiesa, eksperimentiniam fizikui tai padaryti labai sunku. Reikalingas procesas yra retas ir jį sunku užregistruoti. Pirmieji eksperimentiniai šios reakcijos duomenys buvo gauti tik 2001 metais HERA greitintuve Vokietijos DESY greitintuvo komplekse Hamburge; eksperimentuotojai dabar tvarko naują duomenų seriją. Tačiau ir šiandien, remdamiesi pirmaisiais duomenimis, teoretikai piešia trimatį kvarkų ir gluonų pasiskirstymą protone. Fizinis kiekis, apie kurį fizikai darė tik prielaidas, pagaliau pradėjo „išryškėti“ iš eksperimento.
Ar šioje srityje yra netikėtų atradimų? Tikėtina, kad atsakymas yra teigiamas. Pavyzdžiui, pasakykime, kad 2008 m. Lapkričio mėn. Pasirodė įdomus teorinis straipsnis, kuriame teigiama, kad greitai skraidantis protonas turi turėti ne plokščio disko formą, o dvilypį objektyvą. Taip atsitinka todėl, kad centrinėje protono srityje sėdintys partonai yra stipriau suspausti išilgine kryptimi nei partonai, esantys kraštuose. Būtų labai įdomu išbandyti šias teorines prognozes!
Kodėl visa tai įdomi fizikams?
Kodėl fizikai net turi tiksliai žinoti, kaip medžiaga pasiskirsto protonų ir neutronų viduje?
Pirma, to reikalauja pati fizikos raidos logika. Pasaulyje yra daug nuostabiai sudėtingų sistemų, su kuriomis šiuolaikinė teorinė fizika dar negali visiškai susidoroti. Hadronai yra viena iš tokių sistemų. Kalbant apie hadronų struktūrą, mes tobuliname teorinės fizikos sugebėjimus, kurie gali pasirodyti universalūs ir galbūt padės kažkam visiškai kitam, pavyzdžiui, tiriant superlaidininkus ar kitas neįprastų savybių turinčias medžiagas.
Antra, branduolinė fizika turi tiesioginės naudos. Nepaisant beveik šimtmetį trukusios atominių branduolių tyrimo istorijos, teoretikai vis dar nežino tikslaus protonų ir neutronų sąveikos dėsnio.
Jie turi atspėti šį dėsnį iš dalies remdamiesi eksperimentiniais duomenimis, iš dalies konstruodami remdamiesi žiniomis apie nukleonų struktūrą. Čia padės nauji duomenys apie trimatę nukleonų struktūrą.
Trečia, prieš kelerius metus fizikams pavyko gauti ne mažiau kaip naują agreguotą būseną - kvarko -gliūno plazmą. Šioje būsenoje kvarkai nesėdi atskirų protonų ir neutronų viduje, bet laisvai vaikšto aplink visą branduolinių medžiagų krūvą. Tai galima pasiekti, pavyzdžiui, taip: sunkieji branduoliai greitintuvu pagreitinami iki greičio, labai artimo šviesos greičiui, ir tada susiduria kaktomuša. Šio susidūrimo metu labai trumpą laiką kyla trilijonų laipsnių temperatūra, kuri ištirpdo branduolius į kvarko-gliuono plazmą. Taigi paaiškėja, kad teoriniai šio branduolio lydymosi skaičiavimai reikalauja gerai išmanyti trimatę nukleonų struktūrą.
Galiausiai šie duomenys labai reikalingi astrofizikai. Kai sunkios žvaigždės sprogsta gyvenimo pabaigoje, jos dažnai palieka itin kompaktiškus objektus - neutronines ir galbūt kvarkines žvaigždes. Šių žvaigždžių branduolį sudaro tik neutronai, o gal net ir šalta kvarko-gluono plazma. Tokios žvaigždės jau seniai atrastos, tačiau tai, kas vyksta jų viduje, yra kiekvieno spėjimas. Taigi geras kvarko pasiskirstymo supratimas gali paskatinti astrofizikos pažangą.
Visų pirma, jūs turite suprasti, kad išskiriamos keturios atskiros energijos rūšys:
1) cheminė energija, valdanti mūsų automobilius, taip pat dauguma šiuolaikinės civilizacijos prietaisų;
2) branduolio skilimo energija, naudojama maždaug 15% mūsų suvartojamos elektros energijos gamybai;
3) karštos branduolių sintezės energija, kuri maitina saulę ir daugumą žvaigždžių;
4) šalto branduolio sintezės energija, kurią kai kurie laboratorinių tyrimų eksperimentuotojai pastebi ir kurios egzistavimą atmeta dauguma mokslininkų.
Visų trijų tipų branduolinės energijos kiekis (šiluma / kilogramas degalų) yra 10 milijonų kartų didesnis už cheminės energijos kiekį. Kuo skiriasi šios energijos rūšys? Norint suprasti šią problemą, jums reikia žinių apie chemiją ir fiziką.
Pasinaudoję šios namų apyvokos prekes parduodančios internetinės parduotuvės pasiūlymais, galite lengvai įsigyti bet kokių prekių už priimtiną kainą.
Gamta mums davė dviejų rūšių stabiliai įkrautas daleles: protonus ir elektronus. Protonas yra sunki, paprastai labai maža, teigiamai įkrauta dalelė. Paprastai elektronas yra lengvas, didelis, su neryškiomis ribomis ir turi neigiamą krūvį. Teigiami ir neigiami krūviai traukia vienas kitą, nes, pavyzdžiui, šiaurinis magneto polius traukia pietus. Jei magnetas perkeliamas iš šiaurinio poliaus į kito magneto pietinį polių, jie susidurs. Susidūrimas išskiria nedidelį energijos kiekį šilumos pavidalu, tačiau jis yra per mažas, kad būtų galima lengvai išmatuoti. Norėdami atjungti magnetus, turėsite atlikti darbą, tai yra, išleisti energiją. Tai maždaug tas pats, kas pakelti uolą atgal į kalną.
Kai akmuo rieda nuo kalno, išsiskiria nedidelis šilumos kiekis, tačiau pakelti akmenį atgal reikės energijos.
Lygiai taip pat teigiamas protono krūvis susiduria su neigiamu elektrono krūviu, jie „sulimpa“, išskirdami energiją. Rezultatas yra vandenilio atomas, žymimas H. Vandenilio atomas yra ne kas kita, kaip neryškus elektronas, apgaubiantis nedidelį protoną. Jei iš vandenilio atomo išmušite elektroną, gausite teigiamai įkrautą H + joną, kuris yra ne kas kita, kaip pirminis protonas. „Jonas“ yra pavadinimas, taikomas atomui ar molekulei, kuri prarado arba įgavo vieną ar daugiau elektronų ir todėl nebėra neutrali.
Kaip žinote, gamtoje yra ne viena atomų rūšis. Mes turime deguonies atomų, azoto atomų, geležies atomų, helio atomų ir kt. Kuo jie visi skiriasi? Visi jie turi skirtingų tipų branduolius, o visuose branduoliuose yra skirtingas protonų skaičius, o tai reiškia, kad jie turi skirtingą teigiamą krūvį. Helio branduolyje yra 2 protonai, o tai reiškia, kad jo krūvis yra plius 2, o norint neutralizuoti krūvį, reikalingi 2 elektronai. Kai prie jo „prilimpa“ 2 elektronai, susidaro helio atomas. Deguonies branduolyje yra 8 protonai ir jo krūvis yra 8. Kai prie jo „prilimpa“ 8 elektronai, susidaro deguonies atomas. Azoto atomas turi 7 elektronus, geležies atomas - apie 26. Nepaisant to, visų atomų struktūra yra maždaug tokia pati: mažas, teigiamai įkrautas branduolys, esantis miglotų elektronų debesyje. Branduolio ir elektronų dydžio skirtumas yra didžiulis.
Saulės skersmuo yra tik 100 kartų didesnis už žemės skersmenį. Elektronų debesies skersmuo atome yra 100 000 kartų didesnis už branduolio skersmenį. Norint gauti tūrio skirtumą, šiuos skaičius reikia sukonstruoti kube.
Dabar esame pasirengę suprasti, kas yra cheminė energija. Atomai, būdami elektra neutralūs, iš tikrųjų gali susilieti vienas su kitu, išskirdami daugiau energijos. Kitaip tariant, juos galima sujungti į tvirtesnes konfigūracijas. Elektronai jau yra atome, bandydami pasiskirstyti taip, kad būtų kuo arčiau branduolio, tačiau dėl savo difuzinės prigimties jiems reikia tam tikros erdvės. Tačiau kartu su kito atomo elektronais jie paprastai sudaro griežtesnę konfigūraciją, kuri leidžia jiems priartėti prie branduolių. Pavyzdžiui, 2 vandenilio atomai gali sujungti į kompaktiškesnę konfigūraciją, jei kiekvienas vandenilio atomas paaukoja savo elektroną 2 elektronų debesiui, kuris yra padalintas tarp dviejų protonų.
Taigi jie sudaro grupę, kurią sudaro du elektronai viename debesyje ir du protonai, atskirti vienas nuo kito erdve, tačiau, nepaisant to, yra elektronų debesies viduje. Dėl to vyksta cheminė reakcija, kuri išsiskiria šiluma: H + H => H G (ženklas "=>" reiškia "eina į" arba "tampa"). H2 konfigūracija yra vandenilio molekulė; Pirkdami vandenilio cilindrą, gausite tik H molekulę. Be to, sujungus du elektronus H 2 ir 8 elektronus iš O atomo, gali susidaryti dar kompaktiškesnė konfigūracija - vandens molekulė H O plius šiluma. Tiesą sakant, vandens molekulė yra vienas elektronų debesis, kurio viduje yra trijų taškų branduoliai. Tokia molekulė yra minimali energijos konfigūracija.
Taigi, kai deginame naftą ar anglis, mes perskirstome elektronus. Dėl to elektronų debesyse susidaro stabilesnės taškinių branduolių konfigūracijos ir kartu išsiskiria šiluma. Tai yra cheminės energijos pobūdis.
Ankstesnėje diskusijoje praleidome vieną tašką. Kodėl branduoliuose gamtoje iš pradžių yra du ar daugiau protonų? Kiekvienas protonas turi teigiamą krūvį, o kai atstumas tarp teigiamų krūvių yra toks mažas, kad yra proporcingas branduolį supančiai erdvei, jie stipriai atstumia vienas kitą. Panašių krūvių atstūmimas yra tarsi atstūmimas, atsirandantis tarp dviejų magnetų šiaurinių polių, kai jie bando neteisingai juos sujungti. Turi būti kažkas, kas įveikia šį atstūmimą, kitaip būtų tik vandenilio atomai. Laimei, matome, kad taip nėra.
Yra dar viena jėgos rūšis, veikianti protoną. Tai branduolinė energija. Dėl to, kad jis yra labai didelis, dalelės yra tvirtai laikomos praktiškai viena ant kitos. Be to, yra antrojo tipo sunkiųjų dalelių, kurios nuo protono skiriasi tik tuo, kad neturi nei teigiamo, nei neigiamo krūvio. Jų neatbaido teigiamas protono krūvis. Šios dalelės vadinamos „neutronais“, nes yra elektra neutralios. Ypatumas yra tas, kad nekintama dalelių būsena yra įmanoma tik branduolio viduje. Kai dalelė yra už branduolio ribų, per maždaug 10 minučių ji virsta protonu, elektronu ir labai lengvu antineutrinu. Tačiau branduolio viduje jis gali išlikti nepakitęs ilgą laiką. Kad ir kaip ten būtų, neutronas ir protonas labai stipriai traukia vienas kitą. Kai jie priartėja pakankamai arti, jie sujungia ir sudaro labai stiprią porą, vadinamąjį deuteroną, kuris žymimas D +. Vienas deuteronas susijungia su vienu elektronu ir sudaro sunkų vandenilio arba deuterio atomą, žymimą D.
Antroji branduolinė reakcija įvyksta, kai du deuteronai sąveikauja. Kai du deuteronai yra priversti sąveikauti, jie susijungia ir sudaro dalelę, turinčią dvigubą krūvį. Dviejų protonų ir dviejų neutronų krūva yra dar stabilesnė nei protonų ir neutronų krūva deuterone. Naujoji dalelė, neutralizuota 2 elektronų, tampa helio atomo, kuris yra vadinamas He, branduoliu. Gamtoje taip pat yra didelių grupių, kurios yra anglies, azoto, deguonies, geležies ir kitų atomų branduoliai. Visų šių grupių egzistavimas įmanomas dėl branduolinės jėgos, atsirandančios tarp dalelių, kai jos sąveikauja viena su kita arba dalijasi bendru erdvės tūriu, lygiu branduolio dydžiui.
Dabar galime suprasti įprastos branduolinės energijos, kuri iš tikrųjų yra branduolio skilimo energija, pobūdį. Ankstyvosios Visatos istorijos metu susiformavo didžiulės žvaigždės. Sprogstant tokioms masyvioms žvaigždėms, susidarė daugelio tipų branduoliai ir vėl sprogo kosmose. Iš šios masės susidarė planetos ir žvaigždės, įskaitant Saulę.
Gali būti, kad sprogimo metu atsirado visos įmanomos stabilios protonų ir neutronų konfigūracijos, taip pat tokios praktiškai stabilios grupės kaip urano branduolys. Iš tikrųjų yra trijų tipų urano atomų branduoliai: uranas-234, uranas-235 ir uranas-238. Šie „izotopai“ skiriasi neutronų skaičiumi, tačiau juose visuose yra 92 protonai. Bet kokio tipo urano atomų branduoliai gali virsti mažiau energinga konfigūracija, išmetant helio branduolius, tačiau šis procesas vyksta taip retai, kad sausumos uranas išlaiko savo savybes maždaug 4 milijardus metų.
Tačiau yra dar vienas būdas sutrikdyti urano branduolio konfigūraciją. Apskritai protonų ir neutronų grupės yra stabiliausios, kai jose yra apie 60 protonų ir neutronų porų. Tokių porų, esančių urano šerdyje, skaičius yra tris kartus didesnis už šį skaičių. Dėl to jis linkęs suskaidyti į dvi dalis, tuo pačiu išskirdamas daug šilumos. Tačiau gamta neleidžia jam išsiskirti. Norėdami tai padaryti, jis pirmiausia turi pereiti prie aukštesnės energijos konfigūracijos. Tačiau viena urano rūšis - uranas -235, žymima 235 U - gauna reikiamą energiją užfiksuodama neutroną. Taip gavęs reikiamą energiją, branduolys suyra, išlaisvindamas didžiulį energijos kiekį ir tuo pačiu išskirdamas papildomų neutronų. Šie papildomi neutronai savo ruožtu gali suskaidyti urano-235 branduolius, o tai sukelia grandininę reakciją.
Būtent šis procesas vyksta atominėse elektrinėse, kur šiluma, kuri yra galutinis branduolio dalijimosi produktas, naudojama vandeniui užvirti, garams gaminti ir elektros generatoriui sukti. (Šio metodo trūkumas yra radioaktyviųjų atliekų išsiskyrimas, kurios turi būti patikimai pašalintos).
Dabar esame pasirengę suprasti karštosios sintezės esmę. Kaip buvo pasakyta 5 pamokoje, protonų ir neutronų grupės yra stabiliausios, kai protonų ir neutronų skaičius maždaug atitinka jų skaičių geležies atomo branduolyje. Kaip ir urane, kuriame paprastai yra per daug neutronų-protonų, lengvuosiuose elementuose, tokiuose kaip vandenilis, helis, anglis, azotas ir deguonis, yra per mažai tokių garų.
Jei bus sukurtos būtinos sąlygos šiems branduoliams sąveikauti, jie susijungs į stabilesnes grupes, išskirdami šilumą. Tai yra sintezės procesas. Natūraliai jis randamas tokiose žvaigždėse kaip saulė. Gamtoje suslėgtas vandenilis stipriai įkaista, o po kurio laiko įvyksta suliejimo reakcija. Jei iš pradžių procesas vyktų su deuteronais, kuriuose jau yra dvigubai didesnis protonas ir neutronas, reakcijos žvaigždėse vyktų palyginti lengvai. Bet kurio konkretaus tipo atomo judėjimo greitis panašių atomų debesyje tiesiogiai priklauso nuo temperatūros. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis greitis ir kuo arčiau vienas kito atomai, todėl susiduria vieną kartą.
Žvaigždėse temperatūra yra pakankamai aukšta, kad elektronai paliktų savo branduolius. Taigi galime pasakyti, kad iš tikrųjų mes susiduriame su mišriu elektronų ir branduolių debesiu. Esant labai aukštai temperatūrai, branduoliai susidūrimo momentu yra taip arti vienas kito, kad įjungiamos branduolinės jėgos, traukiančios jas viena prie kitos. Dėl to branduoliai gali „sulipti“ ir virsti žemesnės energijos protonų ir neutronų grupe, išskirdami šilumą. Karštoji branduolio sintezė - tai bandymas atlikti šį procesą laboratorinėmis sąlygomis, naudojant deuterį ir trinarį vandenilį (kurio branduolyje yra 1 protonas ir 2 neutronai) dujų pavidalu. Karštam susiliejimui reikia palaikyti šimtų milijonų laipsnių dujų temperatūrą, kurią galima pasiekti naudojant magnetinį lauką, bet tik 1-2 sekundes. Tikimasi, kad dujų temperatūrą bus galima išlaikyti ilgiau. Kol temperatūra yra pakankamai aukšta, branduolio susidūrimo momentu vyksta branduolinė reakcija.
Pagrindinė energijos išleidimo forma yra didelės energijos neutronų ir protonų išsiskyrimas. Protonai labai greitai virsta šiluma. Neutronų energija taip pat gali virsti šiluma, tačiau po to įranga tampa radioaktyvi. Įrangos nukenksminimas yra labai sunkus, todėl karštoji sintezė netinka kaip komercinės energijos gamybos metodas. Bet kokiu atveju karšta sintezės energija yra svajonė, kuri egzistuoja mažiausiai 50 metų. Tačiau dauguma mokslininkų karštą sintezę laiko vieninteliu sintezės energijos generavimo būdu. Karšto sintezės procese susidaro mažiau spinduliuotės nei skilimo metu, tai yra aplinkai nekenksmingas ir praktiškai neribotas kuro šaltinis Žemėje (palyginti su šiuolaikinėmis energijos sąnaudomis, to pakaktų daugeliui milijonų metų).
Galiausiai prieiname prie šalto sintezės paaiškinimo. Šaltoji sintezė gali būti paprastas ir neradioaktyvus būdas išlaisvinti sintezės energiją. Šaltojo sintezės procese vieno branduolio protonai ir neutronai visiškai kitaip sąveikauja su kito protonais ir neutronais.
Tuo pačiu metu branduolinės jėgos prisideda prie to, kad jos sudaro stabilesnę konfigūraciją. Bet kokiai branduolinei reakcijai būtina, kad reaguojantys branduoliai turėtų bendrą erdvės tūrį. Šis reikalavimas vadinamas dalelių derinimu. Karšto susiliejimo metu dalelės trumpam sujungiamos, kai įveikiama dviejų teigiamų krūvių atstumiančioji jėga ir susiduria branduoliai. Šalto suliejimo metu dalelių derinimo sąlyga pasiekiama priverčiant deuterio branduolius elgtis kaip neaiškios dalelės, kaip elektronai, o ne mažos taškinės dalelės. Kai į sunkųjį metalą pridedamas lengvas arba sunkus vandenilis, kiekvienas vandenilio „atomas“ užima tokią padėtį, kad jį iš visų pusių supa sunkiojo metalo atomai.
Ši vandenilio forma vadinama tarpine. Vandenilio atomų elektronai kartu su tarpiniu vandeniliu tampa metalo elektronų masės dalimi. Kiekvienas vandenilio branduolys svyruoja kaip švytuoklė, eidamas per neigiamai įkrautą metalo elektronų debesį. Ši vibracija atsiranda net ir esant labai žemai temperatūrai, laikantis kvantinės mechanikos postulatų. Šis judėjimas vadinamas nulinio taško judesiu. Šiuo atveju branduoliai tampa neryškiais objektais, kaip elektronai atome. Tačiau šio neryškumo nepakanka, kad vienas vandenilio branduolys galėtų sąveikauti su kitu.
Būtina dar viena sąlyga, kad du ar daugiau vandenilio branduolių turėtų tą pačią bendrą erdvę. Elektros srovė, kurią elektronai perneša į metalą, elgiasi kaip vibruojančios medžiagos banga, o ne kaip taškinės dalelės. Jei elektronai nesielgtų kaip bangos kietose medžiagose, šiandien nebūtų tranzistorių ar šiuolaikinių kompiuterių. Bangos formos elektronas vadinamas Blocho funkcijos elektronu. Šalto sintezės paslaptis yra poreikis gauti „Bloch“ funkcijos deuteroną. Kad du ar daugiau deuteronų turėtų bendrą erdvės tūrį, būtina gauti bangų deuteronus kietosios medžiagos viduje arba paviršiuje. Kai tik sukuriami „Bloch“ funkcijos deuteronai, pradeda veikti branduolinė jėga, o protonai ir neutronai, sudarantys deuteroną, reorganizuojami į stabilesnę „Bloch“ funkcijos helio konfigūraciją, o kartu išleidžiama karštis.
Norėdami ištirti šaltą sintezę, eksperimentatorius turi priversti deuteronus pereiti į bangų būseną ir išlaikyti juos toje būsenoje. Šalto sintezės eksperimentai, demonstruojantys perteklinės šilumos išsiskyrimą, įrodo, kad tai įmanoma. Tačiau iki šiol niekas nežino, kaip patikimiausiai atlikti tokį procesą. Naudojant šaltą branduolių sintezę žadama gauti energijos išteklių, kurie tarnaus milijonus metų, tuo tarpu nekils jokių globalinio atšilimo ar radioaktyvumo problemų, todėl reikėtų rimtai dėti pastangas ištirti šį reiškinį.
Aktobe, 2014 m
Hadronas. Elementariųjų dalelių, dalyvaujančių stiprioje sąveikoje, klasė. Hadronus sudaro kvarkai ir jie yra suskirstyti į dvi grupes: barionai (iš trijų kvarkų) ir mezonai (iš kvarko ir antikvarko). Didžiąją mūsų stebimos medžiagos dalį sudaro baronai: protonai ir nukleonai, sudarantys atomų branduolius.
Spinduliuotės šaltinio veikla- viso radioaktyviojo šaltinio radioaktyviųjų branduolių skilimo skaičiaus ir skilimo laiko santykis.
Alfa spinduliuotė- jonizuojančiosios spinduliuotės tipas - teigiamai įkrautų dalelių (alfa dalelių) srautas, išsiskiriantis radioaktyvaus skilimo ir branduolinių reakcijų metu. Alfa spinduliuotės prasiskverbimo galia yra maža (ją vėluoja popieriaus lapas). Ypač pavojinga nuryti alfa šaltinius per maistą, orą ar odą.
Alfa skilimas(arba α -skilimas) - savaiminė alfa dalelių branduolių (helio atomo branduolių) emisija
Alfa dalelė- dalelė, susidedanti iš dviejų protonų ir dviejų neutronų. Tapatiškas helio atomo branduoliui.
Sunaikinimas- elementariosios dalelės ir antidalelio sąveika, dėl kurios jos išnyksta, o jų energija paverčiama elektromagnetine spinduliuote.
Sunaikinimas - tai dalelių ir antidalelių virsmo reakcija į kitas daleles.
Antidalelė yra dalelė, kurios masės, sukimosi, krūvio ir kitų fizinių savybių vertės yra tokios pačios kaip jos „dvynių“ dalelių, tačiau ji skiriasi nuo kai kurių sąveikos požymių (pvz., Elektros ženklo) mokestis).
Antidalelės yra paprastų elementariųjų dalelių dvynės, kurios nuo pastarųjų skiriasi elektros krūvio ženklu ir kai kurių kitų savybių požymiais. Dalelių ir antidalelių masė, sukimasis ir gyvenimas yra vienodi.
AS- atominė elektrinė - pramonės įmonė, gaminanti elektros energiją arba šiluminę energiją, naudojant vieną ar daugiau branduolinių reaktorių ir būtinų sistemų, prietaisų, įrangos ir konstrukcijų, turinčių reikiamą personalą, rinkinį,
Atomas- mažiausia cheminio elemento dalelė, išlaikanti savo savybes. Susideda iš branduolio su protonais, neutronais ir elektronais, judančiais aplink branduolį. Elektronų skaičius atome yra lygus protonų skaičiui branduolyje.
Atominė masė yra cheminio elemento atomo masė, išreikšta atominės masės vienetais (amu). Už 1 amu Paimama 1/12 anglies izotopo, kurio atominė masė yra 12. 1 amu = 1.6605655 · 10-27 kg masės. Atominė masė yra visų tam tikro atomo protonų ir neutronų masių suma.
Atominis branduolys- teigiamai įkrauta centrinė atomo dalis, aplink kurią sukasi elektronai ir kurioje sutelkta beveik visa atomo masė. Susideda iš protonų ir neutronų. Branduolio krūvis nustatomas pagal bendrą protonų krūvį branduolyje ir atitinka cheminio elemento atominį skaičių periodinėje elementų lentelėje.
Barionai- dalelės, susidedančios iš trijų kvarkų, lemiančių jų kvantinius skaičius. Visi baronai, išskyrus protoną, yra nestabilūs.
Sandėliavimo baseinas- įrenginys, esantis atominės elektrinės reaktoriaus vietoje, skirtas laikinam panaudoto branduolinio kuro laikymui po vandens sluoksniu, siekiant sumažinti radioaktyvumą ir šilumos išsiskyrimą.
Becquerel(Bq) yra radioaktyviosios medžiagos aktyvumo SI vienetas. 1 Bq yra lygus tokios radioaktyvios medžiagos, kurioje vienas skilimas įvyksta per 1 s, aktyvumui.
β γ spinduliai- greitų elektronų srautas.
α spinduliai- helio branduolių srautas.
γ spinduliai- labai trumpo bangos ilgio (L ~ 10 -10 m) elektromagnetinės bangos.
Beta spinduliuotė- jonizuojančiosios spinduliuotės tipas - elektronų ar pozitronų srautas, išsiskiriantis branduolinių reakcijų ar radioaktyvaus skilimo metu. Beta spinduliuotė gali prasiskverbti į kūno audinius iki 1 cm gylio, ji pavojinga žmonėms tiek išorinės, tiek vidinės spinduliuotės požiūriu.
Beta dalelės- atominių branduolių skleidžiami elektronai ir pozitronai, taip pat laisvas neutronas beta skilimo metu. Elektroninio atominio branduolio beta skilimo metu išsiskiria elektronas e - (taip pat ir antineutrinas), branduolių pozitronų skilimo metu - pozitronas e + (ir neutrinas ν). Kai laisvasis neutronas (n) suyra, susidaro protono (p) elektronas ir antineutrinas: n → p + e - +.
Elektronas ir pozitronas- stabilios dalelės, kurių sukimasis J = 1/2 (vidinis mechaninis kampinis impulsas), priklausančios leptonų klasei. Pozitronas yra antidalelė elektrono atžvilgiu.
Biologinė apsauga- radiacinė barjera, sukurta aplink reaktoriaus šerdį ir jos aušinimo sistemą, kad būtų išvengta žalingo neutronų ir gama spinduliuotės poveikio personalui, gyventojams ir aplinkai. Atominėje elektrinėje betonas yra pagrindinė biologinė apsaugos medžiaga. Didelės galios reaktoriuose betono apsauginio skydo storis siekia kelis metrus.
Bosonai(iš Indijos fiziko S. Bose vardo) - elementarios dalelės, atominiai branduoliai, atomai su nuliniu arba sveiku skaičiumi (0ћ, 1ћ, 2ћ,…).
Greiti neutronai- neutronai, kurių kinetinė energija yra didesnė už tam tikrą tam tikrą vertę. Ši vertė gali skirtis plačiame diapazone ir priklauso nuo taikymo (reaktoriaus fizika, ekranavimas ar dozimetrija). Reaktoriaus fizikoje ši vertė dažniausiai pasirenkama lygi 0,1 MeV.
Vilsono kamera- elementariai įkrautų dalelių pėdsakų detektorius, kuriame dalelės takelį (pėdsaką) sudaro mažų skysčio lašelių grandinė išilgai jos judėjimo trajektorijos.
Gama spinduliuotė- jonizuojančiosios spinduliuotės tipas - elektromagnetinė spinduliuotė, skleidžiama radioaktyvaus skilimo ir branduolinių reakcijų metu, sklindanti šviesos greičiu ir turinti didelę energiją bei skvarbią galią. Veiksmingai silpnina, kai susiduria su sunkiais elementais, tokiais kaip švinas. Norint sušvelninti gama spinduliuotę atominių elektrinių branduoliniuose reaktoriuose, naudojamas storasienis apsauginis ekranas, pagamintas iš betono.
Radioaktyvaus skilimo dėsnis-dėsnis, pagal kurį randamas nesuyrančių atomų skaičius: N = N 0 2 -t / T.
Deuteris- „sunkusis“ vandenilio izotopas, kurio atominė masė yra 2.
Jonizuojančiosios spinduliuotės detektorius- jautrus matavimo priemonės elementas, skirtas jonizuojančiajai spinduliuotei registruoti. Jo veikimas grindžiamas reiškiniais, atsirandančiais, kai spinduliuotė praeina per medžiagą.
Spinduliuotės dozė- radiacinės saugos srityje - jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio biologiniam objektui, ypač žmogui, matas. Atskirkite ekspoziciją, absorbuotą ir lygiavertę dozę.
Masės perteklius(arba masinis defektas) Ar skirtumas tarp neutralaus atomo masės ir šio atomo branduolio nukleonų skaičiaus (bendro protonų ir neutronų skaičiaus) sandaugos vienam atominės masės vienetui, išreikštas energijos vienetais
Izotopai-nuklidai, turintys tą patį atominį skaičių, tačiau skirtingą atominę masę (pavyzdžiui, uranas-235 ir uranas-238).
Izotopai- atominiai branduoliai, turintys tą patį protonų skaičių Z, skirtingą skaičių neutronų N, taigi ir skirtingą masės skaičių A = Z + N. Pavyzdys: kalcio izotopai Ca (Z = 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca , 41 Ca, 42 Ca.
Radioaktyvieji izotopai yra izotopiniai branduoliai, kurie radioaktyviai suyra. Dauguma žinomų izotopų yra radioaktyvūs (~ 3500).
Vilsono kamera- prietaisas, skirtas dideliu greičiu judančių mikrodalelių (elektronų, protonų, a-dalelių ir kt.) pėdsakams stebėti. Sukurtas anglų fiziko Wilsono 1912 m.
Kvarkas yra elementariai įkrauta dalelė, dalyvaujanti stiprioje sąveikoje. Protonus ir neutronus sudaro trys kvarkai.
Kosminė spinduliuotė- foninė jonizuojančioji spinduliuotė, kurią sudaro pirminė spinduliuotė, sklindanti iš kosmoso, ir antrinė spinduliuotė, atsirandanti dėl pirminės spinduliuotės sąveikos su atmosfera.
Kosminiai spinduliai - didelės energijos įkrautų elementarių dalelių (daugiausia - protonų, alfa dalelių ir elektronų) srautai, sklindantys tarpplanetinėje ir tarpžvaigždinėje erdvėje ir nuolat „bombarduojantys“ Žemę.
Reprodukcijos faktorius- svarbiausia skilimo grandininės reakcijos charakteristika, rodanti tam tikros kartos neutronų skaičiaus santykį su ankstesnės kartos neutronų skaičiumi begalinėje terpėje. Dažnai naudojamas kitas daugybos koeficiento apibrėžimas - neutronų susidarymo ir absorbcijos greičio santykis.
Kritinė masė- mažiausia kuro masė, kurioje gali įvykti savaiminė branduolio skilimo grandininė reakcija su tam tikra šerdies konstrukcija ir sudėtimi (priklauso nuo daugelio veiksnių, pavyzdžiui: kuro sudėties, moderatoriaus, šerdies formos ir kt.).
Curie (Ki)-ne sistemos veiklos vienetas, iš pradžių 1 g radžio-226 izotopo aktyvumas. 1Ci = 3,7 1010 Bq.
Kritinė masė(m k) - mažiausia branduolinio kuro (urano, plutonio) masė, kurioje vyksta branduolinė grandininė reakcija.
Curie(Ki) - radioaktyviosios medžiagos veiklos vienetas, esantis ne sistemoje. 1 Ci = 3,7 10 10 Bq.
Leptonai(iš graikų kalbos. leptos - lengvos, mažos) - taškinių dalelių grupė su sukimu 1 / 2ћ, nedalyvaujanti stiprioje sąveikoje. Leptono dydis (jei yra)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- elektronas (e -) ir elektronų neutrinas (ν e),
- muon (μ -) ir muon neutrino (ν μ),
- tau lepton (τ -) ir tau neutrino (ν τ),
Magiški branduoliai yra atominiai branduoliai, kuriuose yra vadinamasis magiškas protonų ar neutronų skaičius.
| Z | |||||||
| N |
Šių branduolių surišimo energija yra didesnė nei kaimyninių branduolių. Jie turi didelę nukleonų atskyrimo energiją ir padidina jų gausą gamtoje.
Mišių skaičius(A) yra bendras nukleonų (protonų ir neutronų) skaičius atominiame branduolyje; viena iš pagrindinių atominio branduolio savybių.
Dozės norma- radiacijos dozės padidėjimo per tam tikrą intervalą santykis su šiuo intervalu (pavyzdžiui: rem / s, Sv / s, mrem / h, mSv / h, μrem / h, μSv / h).
Neutronas- neutralus elementarus dažnis, kurio masė artima protono masei. Kartu su protonais neutronai sudaro atominį branduolį. Laisvoje būsenoje jis yra nestabilus ir skyla į protoną ir elektroną.
Nuklidas- atomo rūšis, turinti tam tikrą protonų ir neutronų skaičių branduolyje, apibūdinama atomine mase ir atominiu (eilės) skaičiumi.
Sodrinimas (izotopas):
2. Procesas, kurio metu padidėja tam tikro izotopo kiekis izotopų mišinyje.
Urano rūdos praturtinimas- pirminio mineralinio urano turinčių žaliavų perdirbimo procesų rinkinys, skirtas uranui atskirti nuo kitų mineralų, sudarančių rūdą. Šiuo atveju mineralų sudėtis nesikeičia, o tik jų mechaninis atskyrimas, siekiant gauti rūdos koncentratą.
Praturtintas branduolinis kuras- branduolinį kurą, kuriame skiliųjų nuklidų kiekis yra didesnis nei pradinėje natūralioje žaliavoje.
Praturtintas uranas- uranas, kuriame urano-235 izotopo kiekis yra didesnis nei natūralaus urano.
Pusė gyvenimo(T) yra laiko intervalas, per kurį suyra pusė pradinio branduolių skaičiaus.
Pusė gyvenimo- laikas, per kurį suyra pusė radioaktyviųjų branduolių. Ši vertė, žymima T 1/2, yra tam tikro radioaktyvaus branduolio (izotopo) konstanta. T 1/2 reikšmė aiškiai apibūdina radioaktyviųjų branduolių skilimo greitį ir yra lygi dviem kitoms šią normą apibūdinančioms konstantoms: vidutinei radioaktyvaus branduolio τ gyvavimo trukmei ir radioaktyvaus branduolio skilimo tikimybei per laiko vienetą λ.
Sugertos spinduliuotės dozė- jonizuojančiosios spinduliuotės sugertos energijos E santykis su apšvitintos medžiagos mase.
Bohro postulatai- pagrindinės prielaidos, pateiktos be įrodymų N. Bohro, kurios sudaro atomo kvantinės teorijos pagrindą.
Poslinkio taisyklė: a-skilimo metu branduolys praranda teigiamą krūvį 2e, o jo masė sumažėja maždaug 4 amu; b-skilimo metu branduolio krūvis padidėja 1e, tačiau masė nesikeičia.
Radionuklidų pusinės eliminacijos laikas- laikas, per kurį tam tikro radionuklido branduolių skaičius dėl savaiminio skilimo sumažės perpus.
Pozitronas- elektrono antidalelė, kurios masė lygi elektrono masei, tačiau turi teigiamą elektros krūvį.
Protonas-stabili teigiamai įkrauta elementarioji dalelė, kurios krūvis yra 1,61 · 10–19 C, o masė-1,66 · 10–27 kg. Protonas sudaro vandenilio atomo „lengvo“ izotopo (protio) branduolį. Protonų skaičius bet kurio elemento branduolyje lemia branduolinį krūvį ir to elemento atominį skaičių.
Radioaktyvumas- savaiminis nestabilaus nuklido virsmas (radioaktyvusis skilimas) į kitą nuklidą, lydimas jonizuojančiosios spinduliuotės.
Radioaktyvumas- kai kurių atominių branduolių gebėjimas spontaniškai virsti kitais branduoliais, tuo pačiu skleidžiant įvairias daleles.
Radioaktyvusis skilimas- savaiminė branduolinė transformacija.
Veisimo reaktorius- greitasis reaktorius, kurio perskaičiavimo koeficientas viršija 1, ir vykdomas išplėstas branduolinio kuro veisimas.
Geigerio skaitiklis(arba Geigerio-Mullerio skaitiklis) yra dujomis užpildytas įkrautų elementarių dalelių skaitiklis, kurio elektrinis signalas sustiprinamas dėl antrinės skaitiklio dujų tūrio jonizacijos ir nepriklauso nuo dalelės paliktos energijos tūrio.
Kuro strypas- kuro elementas. Pagrindinis nevienalyčio reaktoriaus šerdies struktūrinis elementas, kurio pavidalu į jį pakraunamas kuras. Sunkiųjų branduolių U-235, Pu-239 arba U-233 skilimas įvyksta kuro elementuose, kartu išleidžiant energiją, o iš jų vyksta šilumos energijos perdavimas į aušinimo skystį. Kuro strypai susideda iš kuro šerdies, apvalkalo ir galinių dalių. Kuro elemento tipą lemia reaktoriaus tipas ir paskirtis, aušinimo skysčio parametrai. Kuro elementas turi užtikrinti patikimą šilumos pašalinimą iš kuro į aušinimo skystį.
Darbinis kūnas- terpė (šilumos nešiklis), naudojama šilumos energijai paversti mechanine energija.
Juodoji medžiaga-nematoma (nespinduliuojanti ir nesugerianti) medžiaga. Jo egzistavimą neabejotinai liudija gravitacinis poveikis. Stebėjimo duomenys taip pat rodo, kad ši tamsiosios medžiagos energija yra padalinta į dvi dalis:
- pirmasis yra vadinamoji tamsi medžiaga su tankiu
W dm = 0,20–0,25, - nežinomos, silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės (ne barionai). Tai gali būti, pavyzdžiui, stabilios neutralios dalelės, kurių masė nuo 10 GeV / s2 iki 10 TeV / s2, numatytos supersimetriniais modeliais, įskaitant hipotetinius sunkiuosius neutrinus;
antroji yra vadinamoji tamsi energija su tankiu
W Λ = 0,70–0,75), kuris aiškinamas kaip vakuumas. Tai reiškia ypatingą materijos formą - fizinį vakuumą, t.y. žemiausia fizinių laukų, prasiskverbiančių į erdvę, energetinė būsena.
Termobranduolinės reakcijos- šviesos branduolių sintezės (sintezės) reakcijos, vykstančios aukštoje temperatūroje. Šios reakcijos paprastai vyksta išsiskiriant energijai, nes sunkesniame branduolyje, susidarančiame dėl susiliejimo, nukleonai yra stipriau surišti, t.y. vidutiniškai turi didesnę surišimo energiją nei pradiniuose susiliejančiuose branduoliuose. Šiuo atveju bendras nukleonų surišimo energijos perteklius išsiskiria reakcijos produktų kinetinės energijos pavidalu. Pavadinimas „termobranduolinės reakcijos“ atspindi faktą, kad šios reakcijos vyksta esant aukštai temperatūrai ( > 10 7 –10 8 K), nes sintezei šviesos branduoliai turi priartėti prie atstumų, lygų branduolinių traukos jėgų veikimo spinduliui, t. iki 10-13 cm atstumų.
Transuraniniai elementai- cheminiai elementai, kurių krūvis (protonų skaičius) didesnis nei urano, t.y. Z> 92.
Skilimo grandininė reakcija- savaiminė sunkiosios branduolio dalijimosi reakcija, kurioje nuolat dauginasi neutronai, dalijantys vis daugiau branduolių.
Skilimo grandininė reakcija- sunkiųjų atomų branduolių skilimo reakcijos seka, kai jie sąveikauja su neutronais ar kitomis elementariosiomis dalelėmis, todėl susidaro lengvesni branduoliai, nauji neutronai ar kitos elementarios dalelės ir išsiskiria branduolinė energija.
Branduolinė grandininė reakcija- branduolinių reakcijų seka, sužadinta dalelių (pavyzdžiui, neutronų), gimusių kiekviename reakcijos veiksme. Priklausomai nuo vidutinio reakcijų skaičiaus po vienos ankstesnės reakcijos - mažiau, lygios ar didesnės nei viena - reakcija vadinama slopinama, savaiminė arba didėjanti.
Branduolinės grandininės reakcijos- savarankiškos branduolinės reakcijos, kuriose nuosekliai dalyvauja branduolių grandinė. Taip atsitinka, kai vienas iš branduolinės reakcijos produktų reaguoja su kitu branduoliu, antrosios reakcijos produktas reaguoja su kitu branduoliu ir kt. Kyla viena po kitos einanti branduolinių reakcijų grandinė. Garsiausias tokios reakcijos pavyzdys yra branduolio skilimo reakcija, kurią sukelia neutronas
Egzoterminės reakcijos- branduolinės reakcijos, kai išsiskiria energija.
Elementarios dalelės- mažiausios fizinės medžiagos dalelės. Elementariųjų dalelių samprata atspindi tą žingsnį žinių apie materijos sandarą, kurį pasiekė šiuolaikinis mokslas. Kartu su dalelėmis buvo aptikta apie 300 elementarių dalelių. Terminas „elementariosios dalelės“ yra savavališkas, nes daugelis elementariųjų dalelių turi sudėtingą vidinę struktūrą.
Elementarios dalelės- materialūs objektai, kurių negalima suskirstyti į sudedamąsias dalis. Pagal šį apibrėžimą molekulės, atomai ir atominiai branduoliai, kuriuos galima suskirstyti į sudedamąsias dalis, negali būti klasifikuojami kaip elementariosios dalelės - atomas yra padalintas į branduolį ir orbitinius elektronus, o branduolys - į nukleonus.
Branduolinės reakcijos energijos išeiga- skirtumas tarp branduolių ir dalelių poilsio energijos prieš ir po reakcijos.
Endoterminės reakcijos- branduolinės reakcijos su energijos absorbcija.
Atominio branduolio rišamoji energija(E bv) - apibūdina branduolio nukleonų sąveikos intensyvumą ir yra lygus maksimaliai energijai, kurią reikia išleisti norint padalinti branduolį į atskirus nesąveikaujančius nukleonus, nesuteikiant jiems kinetinės energijos.
Mossb efektas uera - gama kvantų rezonansinės absorbcijos reiškinys atominiuose branduoliuose neprarandant energijos impulsui grąžinti.
Branduolinis (planetinis) atomo modelis- teigiamai įkrautas branduolys yra centre (skersmuo yra apie 10 -15 m); aplink branduolį, kaip ir Saulės sistemos planetos, elektronai juda apskritomis orbitomis.
Branduoliniai modeliai- supaprastinti teoriniai atominių branduolių aprašymai, pagrįsti branduolio, kaip objekto, turinčio anksčiau žinomų būdingų savybių, vaizdavimu.
Branduolio skilimo reakcija- sunkiųjų elementų atominių branduolių skilimo reakcija veikiant neutronams.
Branduolinė reakcija- atominių branduolių virsmo reakcija dėl sąveikos tarpusavyje ar su bet kuriomis elementariosiomis dalelėmis.
Atominė energija Ar energija išsiskiria dėl vidinio atominių branduolių pertvarkymo? Branduolinę energiją galima gauti branduolinėse reakcijose arba branduolių radioaktyviame skilime. Pagrindiniai branduolinės energijos šaltiniai yra sunkiųjų branduolių skilimo reakcijos ir lengvų branduolių sintezė (junginys). Pastarasis procesas dar vadinamas termobranduolinėmis reakcijomis.
Branduolinės jėgos- jėgos, veikiančios tarp atominių branduolių nukleonų ir lemiančios branduolių struktūrą ir savybes. Jie yra trumpo veikimo, jų diapazonas yra 10-15 m.
Branduolinis reaktorius- įtaisas, kuriame vykdoma kontroliuojama grandininė branduolio dalijimosi reakcija.
Savarankiška dalijimosi grandininė reakcija yra grandininė reakcija aplinkoje, kurios dauginimo koeficientas yra k> = 1.
Branduolinė avarija- branduolinė avarija - tai grandinės reakcijos kontrolės praradimas reaktoriuje arba kritinės masės susidarymas degalų papildymo, transportavimo ir laikymo metu. Dėl branduolinės avarijos dėl išsiskiriančios ir pašalintos šilumos disbalanso degalų elementai yra sugadinami, išleidžiant radioaktyviuosius skilimo produktus į išorę. Tokiu atveju tai gali tapti potencialiai pavojingu žmonių poveikiu ir aplinkinės teritorijos užteršimu. .
Branduolinė sauga- bendras terminas, apibūdinantis branduolinio įrenginio savybes įprasto eksploatavimo metu, o nelaimingo atsitikimo atveju - apriboti spinduliuotės poveikį žmonėms, visuomenei ir aplinkai iki leistinų ribų.
Branduolinis skilimas- procesas, lydimas sunkaus atomo branduolio suskaidymo sąveikaujant su neutronu ar kita elementaria dalele, dėl to susidaro lengvesni branduoliai, nauji neutronai ar kitos elementarios dalelės ir išsiskiria energija.
Branduolinė medžiaga- bet kokia pradinė medžiaga, specialios branduolinės medžiagos ir kartais rūdos bei rūdos atliekos.
Branduolinė transformacija- vieno nuklido pavertimas kitu.
Branduolinis reaktorius- prietaisas, kuriame vykdoma kontroliuojama branduolinė grandininė reakcija. Branduoliniai reaktoriai klasifikuojami pagal paskirtį, neutronų energiją, aušinimo skysčio tipą ir reguliatorių, šerdies struktūrą, konstrukciją ir kitas būdingas savybes.
Branduolinė reakcija- atominių branduolių transformacija, kurią sukelia jų sąveika su elementariosiomis dalelėmis arba viena su kita ir kurią lydi branduolių masės, krūvio ar energijos būsenos pasikeitimas.
Branduolinis kuras- medžiaga, kurioje yra skiliųjų nuklidų, kurie, įdėti į branduolinį reaktorių, leidžia įvykti branduolinei grandininei reakcijai. Jis sunaudoja labai daug energijos (visiškai suskaidant 1 kg U-235, energija išsiskiria lygi J, o deginant 1 kg iškastinio kuro išsiskiria (3-5) J energijos priklausomai nuo kuro rūšies).
Branduolinio kuro ciklas- priemonių, skirtų užtikrinti branduolinių reaktorių, vykdomų įmonių, sujungtų su branduolinių medžiagų srautu, sistemoje, įskaitant urano kasyklas, urano rūdos perdirbimo gamyklas, urano konversiją, sodrinimą ir kuro gamybą, branduolinius reaktorius, panaudoto kuro saugyklą, veikimą. įrenginiai, panaudotos perdirbimo gamyklos kuras ir susijusios laikinosios saugyklos bei saugyklos radioaktyviosioms atliekoms šalinti
Branduolinis įrengimas- bet koks įrenginys, kuriame radioaktyviosios ar skiliosios medžiagos gaminamos, perdirbamos arba cirkuliuoja tokiu kiekiu, kad būtina atsižvelgti į branduolinės saugos klausimus.
Atominė energija- branduolio dalijimosi ar branduolinių reakcijų metu išsiskiriančių atominių branduolių vidinė energija.
Branduolinės galios reaktorius- branduolinis reaktorius, kurio pagrindinis tikslas yra gaminti energiją.
Branduolinis reaktorius- branduolinis reaktorius yra prietaisas, skirtas organizuoti kontroliuojamą savarankišką skilimo grandininę reakciją - branduolio skilimo reakcijų seką, kurioje išsiskiria laisvieji neutronai, būtini naujų branduolių skilimui.
Greito auginimo branduolinis reaktorius- reaktoriai labai skiriasi neutronų spektru - neutronų pasiskirstymu energijoje, taigi ir absorbuotų (sukeliančių branduolių skilimą) neutronų spektru. Jei šerdyje nėra lengvų branduolių, specialiai suprojektuotų sulėtėti dėl elastingos sklaidos, praktiškai visas sulėtėjimas atsiranda dėl neelastingo neutronų išsibarstymo sunkiais ir vidutinės masės branduoliais. Šiuo atveju daugumą skilimų sukelia neutronai, kurių energija yra dešimtys ir šimtai keV. Tokie reaktoriai vadinami greitaisiais.
Terminis branduolinis reaktorius- reaktorius, kurio šerdyje yra toks kiekis moderatoriaus - medžiaga, skirta sumažinti neutronų energiją be pastebimos absorbcijos, kad didžiąją dalį skilimų sukelia neutronai, kurių energija mažesnė nei 1 eV.
Branduolinės jėgos- jėgos, kurios branduolyje laiko nukleonus (protonus ir neutronus).
Branduolinės jėgos yra trumpas atstumas ... Jie pasireiškia tik labai mažais atstumais tarp 10–15 m branduolio branduolių. Ilgis (1,5 -2,2) 10–15 vadinamas branduolinių pajėgų diapazonas .
Atranda branduolinės jėgos kaltinti nepriklausomybę , tai yra, traukos jėga tarp dviejų nukleonų yra vienoda, nepriklausomai nuo nukleonų - protono ar neutrono - krūvio būsenos.
Branduolinės jėgos turi prisotinimo savybė , kuris pasireiškia tuo, kad branduolyje esantis nukleonas sąveikauja tik su ribotu artimiausių kaimyninių nukleonų skaičiumi. Beveik visiškas branduolinių jėgų prisotinimas pasiekiamas α dalelėje, kuri yra labai stabili formacija.
Branduolinės jėgos priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukimosi orientacijos ... Tai patvirtina skirtingas neutronų sklaidos charakteris orto ir vandenilio garų molekulėmis.
Branduolinės jėgos nėra centrinės jėgos .
- Vertimas
Kiekvieno atomo centre yra branduolys, maža dalelių, vadinamų protonais ir neutronais, rinkinys. Šiame straipsnyje mes išnagrinėsime protonų ir neutronų, kuriuos sudaro dar mažesnės dalelės - kvarkai, gluonai ir antikvarkai, pobūdį. (Gluonai, kaip ir fotonai, yra sau dalelės). Kvarkai ir gluonai, kiek mes žinome, gali būti tikrai elementarūs (nedalomi ir nesudaryti iš nieko mažesnio dydžio). Bet jiems vėliau.
Keista, kad protonų ir neutronų masė yra beveik ta pati - iki procento:
- 0,93827 GeV / c 2 protonui,
- 0,93957 GeV / c 2 neutronui.
Kadangi jie yra labai panašūs ir šios dalelės sudaro branduolius, protonai ir neutronai dažnai vadinami nukleonais.
Protonai buvo identifikuoti ir aprašyti maždaug 1920 m. (Nors jie buvo atrasti anksčiau; vandenilio atomo branduolys yra tik vienas protonas), o neutronai buvo rasti 1933 m. Tai, kad protonai ir neutronai yra labai panašūs vienas į kitą, buvo suprasta beveik iš karto. Tačiau faktas, kad jų išmatuojamas dydis yra panašus į branduolio dydį (maždaug 100 000 kartų mažesnis už atomą spinduliu), buvo žinomas tik 1954 m. Kad jie sudaryti iš kvarkų, antikvarkų ir gluonų, buvo palaipsniui suvokta nuo septintojo dešimtmečio vidurio iki aštuntojo dešimtmečio vidurio. 70 -ųjų pabaigoje ir 80 -ųjų pradžioje mūsų supratimas apie protonus, neutronus ir tai, iš ko jie pagaminti, iš esmės buvo nusistovėjęs ir nuo to laiko nepasikeitė.
Branduolius apibūdinti daug sunkiau nei atomus ar branduolius. Negalima sakyti, kad atomai iš principo yra paprasti, tačiau bent vienas gali nedvejodamas pasakyti, kad helio atomas susideda iš dviejų elektronų, skriejančių aplink mažytį helio branduolį; o helio branduolys yra gana paprasta dviejų neutronų ir dviejų protonų grupė. Tačiau su nukleonais viskas nebėra taip paprasta. Aš jau rašiau straipsnyje „Kas yra protonas ir ką jis turi viduje?“ Kad atomas yra kaip elegantiškas menuetas, o nukleonas - kaip laukinė partija.
Atrodo, kad protono ir neutrono sudėtingumas yra tikras ir kyla ne dėl neišsamių fizinių žinių. Turime lygtis, apibūdinančias kvarkus, antikvarkus ir gluonus bei stiprią branduolinę sąveiką. Šios lygtys vadinamos QCD iš Quantum Chromodynamics. Lygčių tikslumas gali būti patikrintas įvairiais būdais, įskaitant matavimą dalelių, atsirandančių dideliame hadronų greitintuve, skaičių. Pakeisdami QCD lygtis į kompiuterį ir atlikdami protonų ir neutronų bei kitų panašių dalelių (bendrai vadinamų „hadronais“) savybių skaičiavimus, gauname šių dalelių savybių prognozes, kurios artimai atitinka realiame pasaulyje atliktus stebėjimus. Todėl turime pagrindo manyti, kad QCD lygtys nemeluoja ir kad mūsų žinios apie protoną ir neutroną yra pagrįstos teisingomis lygtimis. Tačiau vien teisingų lygčių nepakanka, nes:
- Paprastos lygtys gali turėti labai sudėtingus sprendimus,
- Kartais neįmanoma paprastai apibūdinti sudėtingų sprendimų.
Dėl nukleonų sudėtingumo jūs, skaitytojas, turėsite pasirinkti: kiek norite sužinoti apie aprašytą sudėtingumą? Kad ir kaip toli nueitumėte, greičiausiai tai jums neteiks pasitenkinimo: kuo daugiau išmoksite, tuo tema jums taps aiškesnė, tačiau galutinis atsakymas liks tas pats - protonas ir neutronas yra labai sudėtingi. Galiu pasiūlyti tris supratimo lygius, vis išsamiau; galite sustoti po bet kokio lygio ir pereiti prie kitų temų, arba galite pasinerti į paskutinį. Kiekvienam lygiui kyla klausimų, į kuriuos atsakymus iš dalies galiu pateikti kitame, tačiau nauji atsakymai kelia naujų klausimų. Galų gale - kaip tai darau profesinėse diskusijose su kolegomis ir pažengusiais studentais - galiu nurodyti tik realiais eksperimentais gautus duomenis, įvairius įtakingus teorinius argumentus ir kompiuterinius modeliavimus.
Pirmasis supratimo lygis
Iš ko susideda protonai ir neutronai?Ryžiai. 1: supaprastinta protonų versija, kurią sudaro tik du aukštyn ir vienas žemyn, ir neutronai, kuriuos sudaro tik du žemyn ir vienas aukštyn
Kad būtų paprasčiau, daugelis knygų, straipsnių ir svetainių nurodo, kad protonai susideda iš trijų kvarkų (du aukštyn ir vienas žemyn) ir piešia kažką panašaus. 1. Neutronas yra tas pats, jį sudaro tik vienas aukštyn ir du žemyn kvarkai. Šis paprastas vaizdas iliustruoja tai, ką tikėjo kai kurie mokslininkai, daugiausia septintajame dešimtmetyje. Tačiau netrukus paaiškėjo, kad šis požiūris buvo supaprastintas tiek, kad jis nebėra teisingas.
Iš sudėtingesnių informacijos šaltinių sužinosite, kad protonus sudaro trys kvarkai (du aukštyn ir vienas žemyn), kuriuos laiko glionai - ir vaizdas, panašus į 1 pav. 2, kur gluonai piešiami spyruoklių ar siūlų, laikančių kvarkus, pavidalu. Neutronai yra vienodi, tik vienas kvarkas aukštyn ir du žemyn.
Ryžiai. 2: pagerinti fig. 1 dėl to, kad akcentuojamas svarbus stiprios branduolinės sąveikos, įstrigiančios kvarkus protone, vaidmuo
Ne toks blogas nukleonų apibūdinimo būdas, nes pabrėžiamas svarbus stiprios branduolinės sąveikos vaidmuo, kuris kvarkus sulaiko protone glionų sąskaita (kaip ir fotonas yra susijęs su elektromagnetine sąveika, dalele, sudarančia šviesą). Tačiau tai taip pat glumina, nes iš tikrųjų nepaaiškina, kas yra gluonai ir ką jie daro.
Yra priežasčių judėti toliau ir aprašyti dalykus taip, kaip aš tai dariau: protoną sudaro trys kvarkai (du aukštyn ir vienas žemyn), gluonų krūva ir kalnas kvarko-antikvaro porų (dažniausiai aukštyn ir žemyn kvarkų) , bet yra ir keistų) ... Visi jie skrenda pirmyn ir atgal labai dideliu greičiu (artėjant prie šviesos greičio); visą šį rinkinį laiko stiprios branduolinės pajėgos. Aš tai parodžiau fig. 3. Neutronai vėl tie patys, bet su vienu aukštyn ir dviem žemyn kvarkomis; kvarkas, pakeitęs savo priklausomybę, nurodomas rodykle.
Ryžiai. 3: realistiškesnis, nors vis dar netobulas protonų ir neutronų vaizdavimas
Šie kvarkai, antikvarkai ir gluonai ne tik beprotiškai bėga pirmyn ir atgal, bet ir susiduria vienas su kitu ir virsta vienas kitu per tokius procesus kaip dalelių sunaikinimas (kai to paties tipo kvarkas ir antikvaras virsta dviem gluonais arba atvirkščiai) atvirkščiai) arba gluono absorbcija ir emisija (kai kvarkas ir gluonas gali susidurti ir sukurti kvarką ir du gluonus, arba atvirkščiai).
Kas bendro tarp šių trijų aprašymų:
- Du protonai, esantys aukštyn ir žemyn (ir dar kažkas).
- Vienas kvarkas aukštyn ir du žemyn (ir dar kažkas) neutronui.
- „Kažkas kitas“ neutronams sutampa su „kažkas kitas“ protonams. Tai reiškia, kad nukleonai turi „kažką kito“.
- Nedidelis protono ir neutrono masės skirtumas atsiranda dėl žemutinio ir viršutinio kvarko masių skirtumo.
- viršutinių kvarkų elektros krūvis lygus 2/3 e (kur e yra protono krūvis, -e yra elektronų krūvis),
- apatinių kvarkų krūvis yra -1 / 3e,
- gluonų krūvis yra 0,
- bet kurio kvarko ir jį atitinkančio antikvaro bendras krūvis yra 0 (pavyzdžiui, prieš žemesnį kvarką įkraunama + 1 / 3e, todėl žemesnio ir žemesnio kvarko krūvis bus –1/3 e +1/3 e = 0),
- bendras protono elektros krūvis yra 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e,
- bendras neutrono elektros krūvis yra 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e = 0.
- kiek „kažko kito“ yra branduolio viduje,
- ką ten veikia,
- iš kur atsiranda nukleono masė ir masė (E = mc 2, ten esanti energija, net kai dalelė yra ramybės būsenoje).
Ryžiai. 1 rodo, kad kvarkai iš tikrųjų yra trečdalis nukleono - panašiai kaip protonas ar neutronas - ketvirtadalis helio branduolio arba 1/12 anglies branduolio. Jei šis skaičius būtų teisingas, kvarkai nukleone judėtų palyginti lėtai (greičiu, kuris yra daug mažesnis už šviesos greitį), o tarp jų veiktų gana silpna sąveika (nors ir su tam tikra galinga jėga, laikančia juos vietoje). Tada kvarko masė aukštyn ir žemyn būtų maždaug 0,3 GeV / c 2, maždaug trečdalis protono masės. Tačiau šis paprastas įvaizdis ir jo primestos idėjos yra tiesiog klaidingos.
Ryžiai. 3. suteikia visiškai kitokią idėją apie protoną, kaip katilą dalelių, besisukančių aplink jį artimu šviesai greičiu. Šios dalelės susiduria viena su kita, ir šių susidūrimų metu kai kurios iš jų yra sunaikinamos, o kitos sukuriamos jų vietoje. Gluonai neturi masės, viršutinių kvarkų masės yra 0,004 GeV / s 2, o apatinių - 0,008 GeV / s 2 - šimtus kartų mažesnės už protoną. Iš kur atsiranda protono masės energija, klausimas sudėtingas: dalis jos gaunama iš kvarkų ir antikvarkų masės energijos, dalis - iš kvarkų, antikvarkų ir gluonų judėjimo energijos, o dalis (galbūt teigiama, galimai neigiamas) nuo energijos, sukauptos stiprioje branduolinėje sąveikoje, kartu laikant kvarkus, antikvarkus ir gluonus.
Tam tikra prasme, pav. 2 bando pašalinti skirtumą tarp fig. 1 ir fig. 3. Tai supaprastina ryžius. 3, pašalinant daugybę kvarko ir antikvaro porų, kurios iš esmės gali būti vadinamos trumpalaikėmis, nes jos nuolat kyla ir išnyksta ir nėra būtinos. Tačiau susidaro įspūdis, kad nukleonuose esantys gluonai yra tiesioginė protonų laikančios stiprios branduolinės jėgos dalis. Ir tai nepaaiškina, iš kur atsiranda protono masė.
Pav. 1 turi dar vieną trūkumą, išskyrus siaurus protono ir neutrono rėmus. Tai nepaaiškina kai kurių kitų hadronų, tokių kaip pionas ir ro-mezonas, savybių. Ryžiai turi tas pačias problemas. 2.
Šie apribojimai lėmė tai, kad mano mokiniai ir mano svetainėje pateikiu paveikslėlį iš fig. 3. Tačiau noriu jus įspėti, kad ji taip pat turi daug apribojimų, kuriuos vėliau aptarsiu.
Verta paminėti, kad ypatingas struktūros sudėtingumas, kurį numato fig. 3, galima tikėtis iš objekto, kuris kartu turi tokias galingas jėgas kaip stiprios branduolinės jėgos. Ir dar vienas dalykas: trys kvarkai (du aukštyn ir vienas žemyn protonui), kurie nėra kvarkų ir antikvarų porų grupės dalis, dažnai vadinami „valentiniais kvarkais“, o kvarkų-antikvarų poros-„a“ kvarkų porų jūra “. Tokia kalba daugeliu atvejų yra techniškai patogi. Tačiau susidaro klaidingas įspūdis, kad jei galėtumėte pažvelgti į protono vidų ir pažvelgti į tam tikrą kvarką, galėtumėte iš karto pasakyti, ar tai jūros dalis, ar valentas. To negalima padaryti, tiesiog nėra tokio būdo.
Protonų masė ir neutronų masė
Kadangi protono ir neutrono masės yra labai panašios, o protonas ir neutronas skiriasi tik pakeičiant aukštyn esantį kvarką žemyn, atrodo tikėtina, kad jų masės pateikiamos vienodai, yra iš to paties šaltinio ir jų skirtumas yra nedidelis skirtumas tarp aukštyn ir žemyn esančių kvarkų .... Tačiau trys parodyti skaičiai rodo, kad yra trys labai skirtingi požiūriai į protonų masės kilmę.Ryžiai. 1 rodo, kad aukštyn ir žemyn esantys kvarkai yra tiesiog 1/3 protono ir neutrono masės: apie 0,313 GeV / s 2 arba dėl energijos, reikalingos kvarkams laikyti protone. Ir kadangi protono ir neutrono masių skirtumas yra procentinė dalis, skirtumas tarp aukštyn ir žemyn esančių kvarkų masių taip pat turi būti procentinė dalis.
Ryžiai. 2 yra mažiau aiškus. Kokią protono masės dalį sudaro gluonai? Bet iš esmės iš paveikslo matyti, kad didžioji dalis protono masės vis tiek gaunama iš kvarko masės, kaip parodyta Fig. 1.
Ryžiai. 3 atspindi subtilesnį požiūrį į tai, kaip iš tikrųjų atsiranda protono masė (kaip mes galime patikrinti tiesiogiai kompiuteriniu protono skaičiavimu ir netiesiogiai, naudodami kitus matematinius metodus). Tai labai skiriasi nuo idėjų, pateiktų fig. 1 ir 2, ir pasirodo, kad tai nėra taip paprasta.
Norint suprasti, kaip tai veikia, reikia galvoti ne apie protono masę m, o apie jo masės energiją E = mc 2, energiją, susijusią su mase. Konceptualiai teisingas klausimas yra ne „iš kur atsirado protonų masė m“, po to galite apskaičiuoti E padauginę m iš c 2, bet priešingai: „iš kur atsiranda protonų masės energija E“, po to jūs gali apskaičiuoti masę m, padalijus E iš c 2 ...
Naudinga įmokas į protonų masės energiją suskirstyti į tris grupes:
A) Jame esančių kvarkų ir antikvarų (gluonų, masės neturinčių dalelių masinė energija (poilsio energija) neprisideda).
B) Kvarkų, antikvarkų ir gluonų judesio energija (kinetinė energija).
C) Sąveikos energija (rišamoji energija arba potenciali energija), saugoma stiprioje branduolinėje sąveikoje (tiksliau, gliuono laukuose), kurioje yra protonas.
Ryžiai. 3 rodo, kad protono viduje esančios dalelės juda dideliu greičiu ir kad jis yra pilnas be masės glionų, todėl B) indėlis yra didesnis nei A). Paprastai dauguma fizinių sistemų B) ir C) yra panašios, o C) dažnai yra neigiamos. Taigi protono (ir neutrono) masės energija daugiausia gaunama derinant B) ir C), o A) sudaro nedidelę dalį. Todėl protono ir neutrono masės atsiranda daugiausia ne dėl jose esančių dalelių masių, bet dėl šių dalelių judėjimo energijos ir jų sąveikos energijos, susijusios su gliono laukais, kurie sukuria jėgas, kurios laiko protoną. Daugelyje kitų mums žinomų sistemų energijos balansas pasiskirsto skirtingai. Pavyzdžiui, atomuose ir Saulės sistemoje A) dominuoja, o B) ir C) yra daug mažesni ir yra panašaus dydžio.
Apibendrindami pažymime, kad:
- Ryžiai. 1 daroma prielaida, kad protonų masės energija gaunama iš indėlio A).
- Ryžiai. 2 daroma prielaida, kad A ir C įnašai yra svarbūs, o B) prisideda mažai.
- Ryžiai. 3 daro prielaidą, kad B) ir C) yra svarbūs, o A) indėlis pasirodo esąs nereikšmingas.
Jei pav. 3 nemeluoja, kvarko ir antikvaro masės yra labai mažos. Kokie jie iš tikrųjų? Viršutinio kvarko (kaip ir antikvarko) masė neviršija 0,005 GeV / c 2, o tai yra daug mažiau nei 0,313 GeV / c 2, kaip matyti iš Fig. 1. (Viršutinio kvarko masę sunku išmatuoti, ir ši vertė keičiasi dėl subtilių efektų, todėl gali pasirodyti, kad ji yra daug mažesnė nei 0,005 GeV / c 2). Žemutinio kvarko masė yra maždaug 0,004 GeV / s 2 didesnė už viršutinio kvarko masę. Tai reiškia, kad bet kurio kvarko ar antikvaro masė neviršija vieno procento protono masės.
Atkreipkite dėmesį, kad tai reiškia (prieštarauja 1 pav.), Kad žemutinio kvarko masės santykis su viršutiniu kvarku nėra artimas vienybei! Žemutinio kvarko masė yra bent du kartus didesnė už viršutinio kvarko masę. Neutrono ir protono masės yra tokios panašios ne todėl, kad aukštyn ir žemyn kvarkų masės yra panašios, bet todėl, kad aukštyn ir žemyn esančių kvarkų masės yra labai mažos - ir skirtumas tarp jų yra mažas, protono ir neutrono masių atžvilgiu. Atminkite, kad norint paversti protoną neutronu, jums tereikia vieną iš jo kvarkų pakeisti žemyn (3 pav.). Šio pakeitimo pakanka, kad neutronas būtų šiek tiek sunkesnis už protoną ir pakeistų jo krūvį nuo + e iki 0.
Beje, tai, kad skirtingos dalelės protono viduje susiduria ir nuolat atsiranda bei išnyksta, neturi įtakos mūsų aptariamiems dalykams - energija išsaugoma bet kokio susidūrimo metu. Gali pasikeisti masės energija ir kvarkų bei gluonų judėjimo energija, taip pat jų sąveikos energija, tačiau bendra protono energija nesikeičia, nors viskas jo viduje nuolat kinta. Taigi, nepaisant vidinio sūkurio, protono masė išlieka pastovi.
Šiuo metu galite sustoti ir įsisavinti gautą informaciją. Nuostabu! Beveik visa masė, esanti paprastoje medžiagoje, gaunama iš atomų nukleonų masės. Ir didžioji šios masės dalis kyla iš protonui ir neutronui būdingo chaoso - iš kvarkų, gluonų ir antikvarkų judėjimo energijos nukleonuose ir iš stiprios branduolinės sąveikos, kuri palaiko branduolį visoje būsenoje, energijos. Taip: mūsų planeta, mūsų kūnai ir kvėpavimas yra tokios tylios ir iki šiol neįsivaizduojamos pandemonijos rezultatas.
Visi fiziniai kūnai gamtoje yra sukurti iš materijos, vadinamos materija. Medžiagos skirstomos į dvi pagrindines grupes - paprastos ir sudėtingos.
Sudėtingos medžiagos yra tos medžiagos, kurios cheminių reakcijų metu gali būti suskaidytos į kitas, paprastesnes medžiagas. Priešingai nei sudėtingos, paprastos medžiagos yra tos, kurių negalima chemiškai suskaidyti į dar paprastesnes medžiagas.
Sudėtingos medžiagos pavyzdys yra vanduo, kuris cheminės reakcijos metu gali būti suskaidytas į dvi kitas, paprastesnes medžiagas - vandenilį ir deguonį. Kalbant apie paskutinius du, jų nebegalima chemiškai suskaidyti į paprastesnes medžiagas, todėl jie yra paprastos medžiagos arba, kitaip tariant, cheminiai elementai.
XIX amžiaus pirmoje pusėje moksle buvo prielaida, kad cheminiai elementai yra nekintančios medžiagos, neturinčios bendro ryšio. Tačiau rusų mokslininkas D.I. Mendelejevas (1834 - 1907) pirmą kartą 1869 m. Atskleidė cheminių elementų ryšį, parodydamas, kad kiekvieno iš jų kokybinė charakteristika priklauso nuo jo kiekybinės charakteristikos - atominės masės.
Studijuodamas cheminių elementų savybes, DI Mendelejevas pastebėjo, kad jų savybės periodiškai kartojasi, priklausomai nuo jų atominio svorio. Šį periodiškumą jis rodė lentelės pavidalu, kuri į mokslą pateko pavadinimu „Mendelejevo periodinė elementų lentelė“.
Žemiau yra šiuolaikinė Mendelejevo cheminių elementų periodinė lentelė.
Atomai
Remiantis šiuolaikinėmis mokslo koncepcijomis, kiekvienas cheminis elementas susideda iš mažiausių medžiagų (medžiagų) dalelių, vadinamų atomais.
Atomas yra mažiausia cheminio elemento dalis, kurios nebegalima chemiškai suskaidyti į kitas, mažesnes ir paprastesnes medžiagos daleles.
Skirtingo pobūdžio cheminių elementų atomai vienas nuo kito skiriasi savo fizikinėmis ir cheminėmis savybėmis, struktūra, dydžiu, mase, atomine mase, savarankiška energija ir kai kuriomis kitomis savybėmis. Pavyzdžiui, vandenilio atomas savo savybėmis ir struktūra smarkiai skiriasi nuo deguonies atomo, o pastarasis - nuo urano atomo ir kt.
Buvo nustatyta, kad cheminių elementų atomai yra labai maži. Jei tradiciškai darysime prielaidą, kad atomai yra sferinės formos, tada jų skersmuo turėtų būti lygus šimtamilijoninei centimetro daliai. Pavyzdžiui, vandenilio atomo, mažiausio gamtoje atomo, skersmuo yra lygus šimtui milijonųjų centimetrų (10–8 cm), o didžiausių atomų, pavyzdžiui, urano atomo, skersmuo neviršija trijų šimto milijonųjų centimetrų (3 · 10 -8 cm). Vadinasi, vandenilio atomas yra tiek kartų mažesnis už rutulį, kurio spindulys yra vienas centimetras, tiek, kiek pastarasis yra mažesnis už rutulį.
Atsižvelgiant į labai mažą atomų dydį, jų masė taip pat yra labai maža. Pavyzdžiui, vandenilio atomo masė yra m = 1,67 · 10 -24 g.Tai reiškia, kad viename grame vandenilio yra apie 6 · 10 23 atomų.
Įprastiniam cheminių elementų atominio svorio matavimo vienetui imama 1/16 deguonies atomo svorio. Pagal šį cheminio elemento atominį svorį vadinamas abstraktus skaičius, rodantis, kiek kartų didesnis už svorį tam tikro cheminio elemento yra daugiau kaip 1/16 deguonies atomo svorio.
Periodinėje D.I. Mendelejevo elementų lentelėje nurodomi visų cheminių elementų atominiai svoriai (žr. Skaičių po elemento pavadinimu). Iš šios lentelės matome, kad lengviausias atomas yra vandenilio atomas, kurio atominis svoris yra 1,008. Anglies atominė masė yra 12, deguonis - 16 ir kt.
Kalbant apie sunkesnius cheminius elementus, jų atominė masė daugiau nei du šimtus kartų viršija vandenilio atominę masę. Taigi, gyvsidabrio atominė vertė yra 200,6, radžio - 226 ir tt Kuo didesnė eilės elementų lentelės cheminio elemento užimama eilė, tuo didesnė atominė masė.
Dauguma cheminių elementų atominių svorių išreiškiami trupmeniniais skaičiais. Tam tikru mastu tai paaiškinama tuo, kad tokie cheminiai elementai susideda iš daugybės atomų, turinčių skirtingą atomo svorį, tačiau tų pačių cheminių savybių, rinkinio.
Cheminiai elementai, kurie periodinėje elementų lentelėje užima vieną skaičių, todėl turi tas pačias chemines savybes, bet skirtingą atominį svorį, vadinami izotopais.
Izotopai randami daugumoje cheminių elementų, turi du izotopus, kalcio - keturis, cinko - penkis, alavo - vienuolika ir tt Daugelis izotopų gaunami meno pagalba, kai kurie iš jų turi didelę praktinę reikšmę.
Elementarios medžiagos dalelės
Ilgą laiką buvo manoma, kad cheminių elementų atomai yra materijos skilimo riba, tai yra tarsi elementarūs visatos „statybiniai blokai“. Šiuolaikinis mokslas atmetė šią hipotezę, nustatęs, kad bet kurio cheminio elemento atomas yra dar mažesnių medžiagų dalelių nei pats atomas rinkinys.
Remiantis elektronine materijos sandaros teorija, bet kurio cheminio elemento atomas yra sistema, susidedanti iš centrinio branduolio, aplink kurį sukasi „elementarios“ medžiagos dalelės, vadinamos elektronais. Atomų branduoliai, remiantis visuotinai priimtais požiūriais, susideda iš „elementarių“ medžiagų dalelių rinkinio - protonų ir neutronų.
Norint suprasti atomų struktūrą ir juose vykstančius fizikinius ir cheminius procesus, būtina bent trumpai susipažinti su pagrindinėmis elementų dalelių, sudarančių atomus, charakteristikomis.
Tai nustatė elektronas yra tikra dalelė, turinti mažiausią gamtoje pastebėtą neigiamą elektros krūvį.
Jei paprastai manome, kad elektronas kaip dalelė turi sferinę formą, tada elektrono skersmuo turėtų būti lygus 4 · 10-13 cm, tai yra dešimtys tūkstančių kartų mažesnis už bet kurio atomo skersmenį.
Elektronas, kaip ir bet kuri kita dalelė, turi masę. Elektrono „ramybės masė“, tai yra masė, kurią jis turi santykinės ramybės būsenoje, yra lygi m о = 9,1 · 10 -28 g.
Itin maža elektrono „ramybės masė“ rodo, kad inertinės elektrono savybės yra labai silpnos, o tai reiškia, kad elektronas, veikiamas kintamos elektros jėgos, gali svyruoti erdvėje, kurio dažnis yra daug milijardų antra.
Elektrono masė yra tokia maža, kad vienam gramui elektronų gauti prireiktų 1027 vienetų. Norėdami bent šiek tiek fiziškai suprasti šį didžiulį skaičių, pateiksime pavyzdį. Jei vieną gramą elektronų būtų galima išdėstyti tiesia linija arti vienas kito, tada jie sudarytų keturių milijardų kilometrų ilgio grandinę.
Elektrono, kaip ir bet kurios kitos medžiagos mikrodalelės, masė priklauso nuo jo judėjimo greičio. Elektronas, būdamas santykinės ramybės būsenoje, turi mechaninio pobūdžio „poilsio masę“, kaip ir bet kurio fizinio kūno masė. Kalbant apie elektrono „judesio masę“, kuri didėja didėjant jo judėjimo greičiui, jis yra elektromagnetinės kilmės. Taip yra dėl to, kad judančiame elektrone yra elektromagnetinis laukas, kaip medžiaga, turinti masę ir elektromagnetinę energiją.
Kuo greičiau elektronas juda, tuo labiau pasireiškia jo elektromagnetinio lauko inercinės savybės, tuo labiau pastarojo masė ir atitinkamai jo elektromagnetinė energija. Kadangi elektronas su savo elektromagnetiniu lauku sudaro vieną, organiškai sujungtą medžiagų sistemą, natūralu, kad elektrono elektromagnetinio lauko judesio masę galima tiesiogiai priskirti pačiam elektronui.
Elektronas, be dalelių savybių, turi ir bangų savybes. Eksperimentu nustatyta, kad elektronų srautas, kaip ir šviesos srautas, sklinda į bangą panašaus judesio pavidalu. Elektronų srauto bangos judesio pobūdį erdvėje patvirtina elektronų bangų trukdžių ir difrakcijos reiškiniai.
Elektronų trukdžiai yra elektroninių testamentų superpozicijos vienas kitam reiškinys, ir elektronų difrakcija- tai reiškinys, kai elektronų bangos lenkiasi aplink siauro plyšio kraštus, pro kuriuos praeina elektronų pluoštas. Vadinasi, elektronas yra ne tik dalelė, bet ir „dalelių banga“, kurios ilgis priklauso nuo elektrono masės ir greičio.
Nustatyta, kad elektronas, be savo transliacinio judesio, taip pat atlieka sukamąjį judesį aplink savo ašį. Šis elektronų judėjimo tipas vadinamas „sukimu“ (iš angliško žodžio „spin“ - verpstė). Dėl šio judėjimo elektronas, be elektrinių savybių, atsirandančių dėl elektros krūvio, įgyja ir magnetinių savybių, šiuo požiūriu panašus į elementarų magnetą.
Protonas yra tikra dalelė, kurios teigiamas elektros krūvis absoliučia verte lygus elektrono elektros krūviui.
Protono masė yra 1,67 · Dešimt-24 g, tai yra, jis yra maždaug 1840 kartų didesnis už elektrono „poilsio masę“.
Skirtingai nuo elektrono ir protono, neutronas neturi elektros krūvio, tai yra, jis yra elektriškai neutrali „elementarioji“ dalelė. Neutrono masė yra praktiškai lygi protono masei.
Elektronai, protonai ir neutronai, esantys atomų sudėtyje, sąveikauja tarpusavyje. Visų pirma, elektronai ir protonai yra tarpusavyje traukiami kaip dalelės su priešingais elektros krūviais. Tuo pačiu metu elektronas iš elektrono ir protonas iš protono yra atstumiamas kaip dalelės su tais pačiais elektros krūviais.
Visos šios elektra įkrautos dalelės sąveikauja per savo elektrinius laukus. Šie laukai yra ypatinga materijos rūšis, kurią sudaro elementarių medžiagų dalelių, vadinamų fotonais, rinkinys. Kiekvienas fotonas turi griežtai apibrėžtą energijos kiekį (energijos kvantą).
Elektra įkrautų medžiagų dalelių sąveika atliekama keičiantis fotonais tarpusavyje. Paprastai vadinama elektra įkrautų dalelių sąveikos jėga elektros jėga.
Neutronai ir protonai atomų branduoliuose taip pat sąveikauja tarpusavyje. Tačiau ši sąveika tarp jų nebėra vykdoma per elektrinį lauką, nes neutronas yra elektriškai neutrali materijos dalelė, bet per vadinamąjį branduolinį lauką.
Šis laukas taip pat yra ypatinga materijos rūšis, kurią sudaro elementarių medžiagų dalelių, vadinamų mezonais, rinkinys. Neutronų ir protonų sąveika vyksta keičiantis mezonais. Neutronų ir protonų tarpusavio sąveikos jėga vadinama branduoline jėga.
Nustatyta, kad branduolinės jėgos veikia atomų branduoliuose itin mažais atstumais - apie 10 - 13 cm.Branduolinės jėgos žymiai viršija atomų branduolio protonų tarpusavio atstūmimo elektrines jėgas. Tai lemia tai, kad jie sugeba ne tik įveikti abipusio protonų atstumimo jėgas atomų branduoliuose, bet ir sukurti labai stiprias branduolių sistemas iš protonų ir neutronų visumos.
Kiekvieno atomo branduolio stabilumas priklauso nuo dviejų konfliktuojančių jėgų santykio - branduolinės (abipusis protonų ir neutronų pritraukimas) ir elektrinės (abipusis protonų atstūmimas).
Galingos branduolinės jėgos, veikiančios atomų branduoliuose, prisideda prie neutronų ir protonų pavertimo vienas kitu. Šios neutronų ir protonų konversijos atliekamos išskyrus ar absorbuojant lengvesnes elementarias daleles, pavyzdžiui, mezonus.
Dalys, kurias mes laikėme, vadinamos elementariomis, nes jos nesudaro kitų, paprastesnių materijos dalelių visumos. Tačiau tuo pat metu nereikėtų pamiršti, kad jie sugeba transformuotis vienas į kitą, kilti vienas kito sąskaita. Taigi, šios dalelės yra sudėtingos formacijos, tai yra, jų elementarus pobūdis yra sąlyginis.
Atomų cheminė struktūra
Paprasčiausias atomas savo struktūroje yra vandenilio atomas. Jį sudaro tik dvi elementariosios dalelės - protonas ir elektronas. Protonas vandenilio atomo sistemoje atlieka centrinio branduolio, aplink kurį elektronas sukasi tam tikroje orbitoje, vaidmenį. Fig. 1 schematiškai parodytas vandenilio atomo modelis.
Ryžiai. 1. Vandenilio atomo sandaros schema
Šis modelis yra tik apytikslis realybės suderinimas. Esmė ta, kad elektronas, kaip „dalelių banga“, neturi tūrio, smarkiai atskirto nuo išorinės aplinkos. Tai reiškia, kad reikia kalbėti ne apie tikslią tiesinę elektrono orbitą, bet apie elektronų debesį. Šiuo atveju elektronas dažniausiai užima tam tikrą vidurinę debesies liniją, kuri yra viena iš galimų jo orbitų atome.
Reikia pasakyti, kad pati elektrono orbita nėra griežtai nekintama ir nejudanti atome - ji taip pat dėl elektrono masės pasikeitimo daro tam tikrą sukimosi judesį. Todėl elektrono judėjimas atome yra gana sudėtingas. Kadangi vandenilio atomo (protono) branduolys ir aplink jį besisukantis elektronas turi priešingus elektros krūvius, jie traukia vienas kitą.
Tuo pačiu metu laisva elektrono energija, besisukanti aplink atomo branduolį, sukuria išcentrinę jėgą, kuri linkusi ją pašalinti iš branduolio. Vadinasi, atomo ir elektrono branduolio tarpusavio traukos elektrinė jėga ir išcentrinė jėga, veikianti elektroną, yra prieštaringos jėgos.
Esant pusiausvyrai, jų elektronas užima gana stabilią vietą tam tikroje atomo orbitoje. Kadangi elektrono masė yra labai maža, todėl, norint subalansuoti traukos jėgą prie atomo branduolio, jis turi suktis milžinišku greičiu, lygiu maždaug 6 · 10 15 apsisukimų per sekundę. Tai reiškia, kad elektronas vandenilio atomo sistemoje, kaip ir bet kuris kitas atomas, juda savo orbitoje tiesiniu greičiu, viršijančiu tūkstantį kilometrų per sekundę.
Normaliomis sąlygomis elektronas sukasi genties atome palei orbitą, esančią arčiausiai branduolio. Tuo pačiu metu jis turi minimalų įmanomą energijos kiekį. Jei dėl vienos ar kitos priežasties, pavyzdžiui, veikiamas kitų medžiagų dalelių, įsiveržusių į atominę sistemą, elektronas pasislenka į orbitą, kuri yra toliau nuo atomo, tada ji jau turės šiek tiek didesnį kiekį energijos.
Tačiau elektronas šioje naujoje orbitoje išlieka nereikšmingas, po to vėl sukasi į orbitą, esančią arčiausiai atomo branduolio. Šio kurso metu jis atsisako perteklinės energijos magnetinės spinduliuotės kvantinės formos - spinduliuojančios energijos pavidalu (2 pav.).
Ryžiai. 2. Elektronas, pereidamas iš tolimos orbitos į tą, kuri yra arčiau atomo branduolio, skleidžia spinduliuojančios energijos kvantą
Kuo daugiau energijos elektronas gauna iš išorės, tuo daugiau jis juda į orbitą, kuri yra nutolusi nuo atomo branduolio, ir tuo didesnis elektromagnetinės energijos kiekis, kurį jis skleidžia sukdamasis į arčiausiai branduolio esančią orbitą.
Matuojant energijos kiekį, kurį skleidžia elektronas pereinant iš skirtingų orbitų į tą, kuri yra arčiausiai atomo branduolio, buvo galima nustatyti, kad elektronas vandenilio atomo sistemoje, kaip ir bet kurios kitos sistemos atomas, negali eiti į bet kokią savavališką orbitą, griežtai apibrėžtą pagal tą energiją, kurią jis gauna veikiamas išorinės jėgos. Orbitos, kurias elektronas gali užimti atome, vadinamos leistinomis.
Kadangi teigiamas vandenilio atomo branduolio krūvis (protono krūvis) ir neigiamas elektrono krūvis yra skaitmeniškai lygūs, bendras jų krūvis lygus nuliui. Tai reiškia, kad vandenilio atomas, būdamas įprastoje būsenoje, yra elektriškai neutrali dalelė.
Tai pasakytina apie visų cheminių elementų atomus: bet kurio cheminio elemento atomas normalioje būsenoje yra elektriškai neutrali dalelė dėl jo teigiamų ir neigiamų krūvių skaitinės lygybės.
Kadangi vandenilio atomo branduolyje yra tik viena „elementarioji“ dalelė - protonas, vadinamasis šio branduolio masės skaičius yra lygus vienam. Bet kurio cheminio elemento atomo branduolio masės skaičius yra bendras protonų ir neutronų, sudarančių šį branduolį, skaičius.
Natūralus vandenilis daugiausia susideda iš atomų, kurių masės skaičius lygus vienam. Tačiau jame taip pat yra kito tipo vandenilio atomų, kurių masės skaičius lygus dviem. Šių sunkiųjų vandenilio atomų, vadinamų deuteronais, branduoliai susideda iš dviejų dalelių - protono ir neutrono. Šis vandenilio izotopas vadinamas deuteriu.
Natūralaus vandenilio sudėtyje yra labai nedaug deuterio. Kas šešis tūkstančius lengvųjų vandenilio atomų (masės skaičius lygus vienam) yra tik vienas deuterio (sunkiojo vandenilio) atomas. Yra dar vienas vandenilio izotopas - ypač sunkus vandenilis, vadinamas tričiu. Šio vandenilio izotopo atomo branduoliuose yra trys dalelės: protonas ir du neutronai, sujungti branduolinėmis jėgomis. Tričio atomo branduolio masės skaičius yra trys, tai yra, tričio atomas yra tris kartus sunkesnis už lengvo vandenilio atomą.
Nors vandenilio izotopų atomai turi skirtingą masę, jie vis tiek turi tas pačias chemines savybes. Pavyzdžiui, lengvas vandenilis, patekęs į cheminę sąveiką su deguonimi, su juo sudaro sudėtingą medžiagą - vandenį. Panašiai vandenilio izotopas deuteris susilieja su deguonimi, sudarydamas vandenį, kuris, skirtingai nei įprastas vanduo, vadinamas sunkiu vandeniu. Sunkusis vanduo plačiai naudojamas branduolinei (atominei) energijai gaminti.
Vadinasi, atomų cheminės savybės nepriklauso nuo jų branduolių masės, o tik nuo atomo elektronų apvalkalo struktūros. Kadangi lengvojo vandenilio, deuterio ir tričio atomai turi vienodą elektronų skaičių (po vieną kiekvienam atomui), šie izotopai turi tas pačias chemines savybes.
Neatsitiktinai cheminis elementas vandenilis užima pirmąjį skaičių periodinėje elementų lentelėje. Faktas yra tas, kad yra tam tikras ryšys tarp bet kurio elemento periodinės elementų lentelės skaičiaus ir šio elemento atomo branduolio krūvio dydžio. Jis gali būti suformuluotas taip: bet kurio periodinio elementų sistemos cheminio elemento serijos numeris yra lygus teigiamam šio elemento branduolio krūviui, taigi ir aplink jį besisukančių elektronų skaičiui.
Kadangi vandenilis užima pirmąjį skaičių periodinėje elementų lentelėje, tai reiškia, kad teigiamas jo atomo branduolio krūvis yra lygus vienam, o vienas elektronas sukasi aplink branduolį.
Cheminis elementas helis užima antrąją vietą periodinėje elementų lentelėje. Tai reiškia, kad jis turi teigiamą branduolio elektros krūvį, lygų dviem vienetams, tai yra, jo branduolyje turėtų būti du protonai, o atomo elektronų apvalkale - du elektrodai.
Natūralus helis susideda iš dviejų izotopų - sunkaus ir lengvo. Sunkiojo helio masės skaičius yra keturi. Tai reiškia, kad be minėtų dviejų protonų, į sunkiojo helio atomo branduolio sudėtį turi patekti dar du neutronai. Kalbant apie lengvą helį, jo masės skaičius yra lygus trims, tai yra, jo branduolio sudėtyje, be dviejų protonų, turi patekti dar vienas neutronas.
Nustatyta, kad natūraliame helyje lengvųjų helio atomų skaičius yra maždaug milijonoji sunkiųjų genijų atomų skaičius. Fig. 3 parodyta helio atomo schema.
Ryžiai. 3. Helio atomo sandaros schema
Tolesnę cheminių elementų atomų struktūros komplikaciją lemia protonų ir neutronų skaičiaus padidėjimas šių atomų branduoliuose ir kartu padidėjęs aplink branduolius besisukančių elektronų skaičius (4 pav.). Naudojant periodinę elementų sistemą, lengva nustatyti elektronų, protonų ir neutronų, sudarančių įvairius atomus, skaičių.
Ryžiai. 4. Atomų branduolių sandaros schemos: 1 - helis, 2 - anglis, 3 - deguonis
Eilinis cheminio elemento skaičius yra lygus protonų skaičiui atomo branduolyje, o tuo pačiu ir elektronų, besisukančių aplink branduolį, skaičiui. Kalbant apie atominį svorį, jis yra maždaug lygus atomo masės skaičiui, tai yra protonų ir neutronų, paimtų kartu branduolyje, skaičiui. Todėl, atėmus iš elemento atominės masės skaičių, lygų elemento eiliniam skaičiui, galima nustatyti, kiek neutronų yra tam tikrame branduolyje.
Nustatyta, kad lengvų cheminių elementų branduoliai, kurių sudėtyje yra vienodas protonų ir neutronų skaičius, išsiskiria labai dideliu stiprumu, nes branduolinės jėgos jose yra palyginti didelės. Pavyzdžiui, sunkaus helio atomo branduolys yra labai patvarus, nes jį sudaro du protonai ir du neutronai, sujungti galingomis branduolinėmis jėgomis.
Sunkesnių cheminių elementų atomų branduoliai savo sudėtyje jau turi nevienodą protonų ir neutronų skaičių, todėl jų ryšys branduolyje yra silpnesnis nei lengvųjų cheminių elementų branduoliuose. Šių elementų branduoliai gali būti gana lengvai suskaidomi, kai juos bombarduoja atominiai „sviediniai“ (neutronai, helio branduoliai ir kt.).
Kalbant apie sunkiausius cheminius elementus, ypač radioaktyviuosius, jų branduoliai yra tokie silpni, kad spontaniškai suyra į sudedamąsias dalis. Pavyzdžiui, radioaktyvaus elemento radžio atomai, susidedantys iš 88 protonų ir 138 neutronų derinio, savaime suyra ir virsta radioaktyvaus radono elemento atomais. Pastarųjų atomai savo ruožtu suyra į sudedamąsias dalis ir pereina į kitų elementų atomus.
Trumpai susipažinę su cheminių elementų atomų branduolių sudedamosiomis dalimis, apsvarstykime atomų elektronų apvalkalų struktūrą. Kaip žinote, elektronai gali suktis aplink atomų branduolius tik griežtai apibrėžtose orbitose. Be to, jie yra taip sugrupuoti į kiekvieno atomo elektronų apvalkalą, kad galima atskirti atskirus elektronų sluoksnius.
Kiekviename sluoksnyje gali būti elektronų, neviršijančių griežtai apibrėžto skaičiaus. Taigi, pavyzdžiui, pirmame elektronų sluoksnyje, esančiame arčiausiai atomo branduolio, gali būti daugiausia du elektronai, antrame - ne daugiau kaip aštuoni elektronai ir kt.
Tie atomai, kuriuose išoriniai elektronų sluoksniai yra visiškai užpildyti, turi stabiliausią elektronų apvalkalą. Tai reiškia, kad tam tikras atomas tvirtai laiko visus savo elektronus ir jam nereikia gauti papildomo jų kiekio iš išorės. Pavyzdžiui, helio atomas turi du elektronus, kurie visiškai užpildo pirmąjį elektronų sluoksnį, o neoninis atomas turi dešimt elektronų, iš kurių pirmieji du visiškai užpildo pirmąjį elektronų sluoksnį, o likusieji - antrąjį (5 pav.).
Ryžiai. 5. Neono atomo sandaros schema
Vadinasi, helio ir neono atomai turi gana stabilius elektronų apvalkalus, jie nesiekia jų kiekybiškai modifikuoti. Tokie elementai yra chemiškai inertiški, tai yra, jie nesivelia į cheminę sąveiką su kitais elementais.
Tačiau dauguma cheminių elementų turi atomus, kuriuose išoriniai elektronų sluoksniai nėra visiškai užpildyti elektronais. Pavyzdžiui, kalio atomas turi devyniolika elektronų, iš kurių aštuoniolika visiškai užpildo pirmuosius tris sluoksnius, o devynioliktas elektronas yra vienas kitame, neužpildytame elektronų sluoksnyje. Silpnas ketvirtojo elektronų sluoksnio užpildymas elektronais lemia tai, kad atomo branduolys labai silpnai sulaiko atokiausią - devynioliktąjį elektroną, todėl pastarąjį galima lengvai atplėšti nuo atomo. ...
Arba, pavyzdžiui, deguonies atomas turi aštuonis elektronus, iš kurių du visiškai užpildo pirmąjį sluoksnį, o likę šeši yra antrame sluoksnyje. Taigi, norint visiškai baigti statyti antrąjį elektronų sluoksnį deguonies atome, jam trūksta tik dviejų elektronų. Todėl deguonies atomas ne tik tvirtai laiko šešis elektronus antrajame sluoksnyje, bet ir turi galimybę pritraukti du trūkstamus elektronus, kad užpildytų antrąjį elektronų sluoksnį. Tai jis pasiekia chemiškai derindamas su tokių elementų atomais, kuriuose išoriniai elektronai yra silpnai susieti su jų branduoliais.
Cheminiai elementai, kurių atomų išoriniai elektronų sluoksniai nėra visiškai užpildyti elektronais, paprastai yra chemiškai aktyvūs, tai yra, jie noriai patenka į cheminę sąveiką.
Taigi, cheminių elementų atomų elektronai yra išdėstyti griežtai apibrėžta tvarka, o bet koks jų erdvinio išdėstymo ar kiekio pasikeitimas atomo elektronų apvalkale keičia pastarųjų fizikines ir chemines savybes.
Elektronų ir protonų skaičiaus lygybė atominėje sistemoje yra priežastis, dėl kurios jos bendras elektros krūvis yra lygus nuliui. Jei pažeidžiama elektronų ir protonų skaičiaus lygybė atominėje sistemoje, tada atomas tampa elektra įkrauta sistema.
Atomas, kurio sistemoje sutrinka priešingų elektros krūvių pusiausvyra dėl to, kad jis prarado dalį savo elektronų arba, priešingai, įgijo jų perteklių, vadinamas jonu.
Priešingai, jei atomas įgyja per daug elektronų, jis tampa neigiamu jonu. Pavyzdžiui, chloro atomas, gavęs vieną papildomą elektroną, virsta vieno krūvio neigiamu chloro jonu Сl -. Deguonies atomas, gavęs du papildomus elektronus, virsta dvigubai įkrautu neigiamu deguonies jonu O ir kt.
Atomas, virtęs jonu, išorinės aplinkos atžvilgiu tampa elektra įkrauta sistema. Tai reiškia, kad atomas pradėjo turėti elektrinį lauką, kartu su kuriuo jis sudaro vieną materialią sistemą ir per šį lauką atlieka elektros sąveiką su kitomis elektra įkrautomis medžiagos dalelėmis - jonais, elektronais, teigiamai įkrautais atomų branduoliais ir kt. .
Skirtingai nei kiti jonai gali vienas kitą traukti, todėl jie chemiškai susijungia ir sudaro sudėtingesnes medžiagos daleles - molekules.
Apibendrinant reikia pažymėti, kad atomo matmenys yra labai dideli, palyginti su tikrų dalelių, iš kurių jie sudaryti, matmenimis. Sudėtingiausio atomo branduolys kartu su visais elektronais užima milijardą atomo tūrio. Paprastas skaičiavimas rodo, kad jei vieną kubinį metrą platinos būtų galima suspausti taip stipriai, kad išnyktų atominės ir tarpatominės erdvės, būtų gautas maždaug vieno kubinio milimetro tūris.
