Studiind structura materiei, fizicienii au aflat din ce sunt alcătuiți atomii, au ajuns la nucleul atomic și l-au împărțit în protoni și neutroni. Toți acești pași au fost dați destul de ușor - a fost necesar doar să dispersați particulele la energia necesară, să le împingeți unul împotriva celuilalt, apoi ele înșiși s-au destrămat în părțile lor componente.
Dar cu protoni și neutroni, acest truc nu a funcționat. Deși sunt particule compozite, ele nu pot fi „despărțite” chiar și în cea mai violentă coliziune. Prin urmare, fizicienilor le-au trebuit decenii pentru a găsi moduri diferite de a privi în interiorul protonului, de a-i vedea structura și forma. Astăzi, studiul structurii protonului este una dintre cele mai active domenii ale fizicii particulelor elementare.
Natura dă indicii
Istoria studierii structurii protonilor și neutronilor datează din anii 1930. Când, pe lângă protoni, au fost descoperiți neutroni (1932), prin măsurarea masei acestora, fizicienii au fost surprinși să constate că este foarte aproape de masa unui proton. Mai mult, s-a dovedit că protonii și neutronii „simt” interacțiunea nucleară exact în același mod. Atât de mult încât, din punctul de vedere al forțelor nucleare, protonul și neutronul pot fi considerate ca două manifestări ale aceleiași particule - nucleonul: protonul este un nucleon încărcat electric, iar neutronul este un nucleon neutru. Schimbați protonii cu neutroni și forțele nucleare nu va observa (aproape) nimic.
Fizicienii exprimă această proprietate a naturii ca simetrie - interacțiunea nucleară este simetrică în ceea ce privește înlocuirea protonilor cu neutroni, la fel cum un fluture este simetric în ceea ce privește înlocuirea stânga cu dreapta. Această simetrie, pe lângă faptul că joacă un rol important în fizica nucleară, a fost de fapt primul indiciu că nucleonii au o structură internă interesantă. Adevărat, atunci, în anii 1930, fizicienii nu și-au dat seama de acest indiciu.
Înțelegerea a venit mai târziu. A început cu faptul că în anii 1940 și 50, în reacțiile de ciocnire a protonilor cu nucleele diferitelor elemente, oamenii de știință au fost surprinși să descopere din ce în ce mai multe particule noi. Nu protoni, nu neutroni, pi-mezoni nedescoperiți până atunci, care păstrează nucleonii în nuclei, ci niște particule complet noi. Cu toată diversitatea lor, aceste noi particule aveau două proprietăți comune. În primul rând, ei, ca și nucleonii, au participat foarte binevoitor la interacțiunile nucleare - acum astfel de particule se numesc hadroni. Și în al doilea rând, erau extrem de instabili. Cele mai instabile dintre ele s-au degradat în alte particule în doar o trilionime dintr-o nanosecundă, neavând timp nici măcar să zboare cu dimensiunea unui nucleu atomic!
Multă vreme, „grădina zoologică” de hadroni a fost un amestec complet. Până la sfârșitul anilor 1950, fizicienii învățaseră deja destul de multe tipuri diferite hadronii, au început să le compare între ele și au văzut deodată o anumită simetrie generală, chiar și periodicitatea proprietăților lor. S-a presupus că în interiorul tuturor hadronilor (inclusiv nucleonii) există câteva obiecte simple, care se numesc „cuarcuri”. Combinarea quarcilor căi diferite, este posibil să se obțină diferiți hadroni, de altfel, de acest tip și cu astfel de proprietăți care au fost găsite în experiment.
Ce face un proton un proton?
După ce fizicienii au descoperit structura cuarci a hadronilor și au descoperit că cuarcii vin în mai multe diferite soiuri, a devenit clar că multe particule diferite pot fi construite din quarci. Așa că nimeni nu a fost surprins când experimentele ulterioare au continuat să găsească noi hadroni unul după altul. Dar printre toți hadronii s-a găsit o întreagă familie de particule, formată, la fel ca protonul, din doar două u-quarci și unul d-quarc. Un fel de „frați” ai protonului. Și aici fizicienii aveau o surpriză.
Să facem mai întâi o observație simplă. Dacă avem mai multe obiecte formate din aceleași „cărămizi”, atunci obiectele mai grele conțin mai multe „cărămizi”, iar altele mai ușoare - mai puține. Acesta este un principiu foarte natural, care poate fi numit principiul combinației sau principiul suprastructurii și este perfect îndeplinit atât în viața de zi cu zi, cât și în fizică. Se manifestă chiar și în structura nucleelor atomice - la urma urmei, nucleele mai grele constau pur și simplu dintr-un număr mai mare de protoni și neutroni.
Cu toate acestea, la nivelul quarcilor, acest principiu nu funcționează deloc și, desigur, fizicienii nu și-au dat seama încă pe deplin de ce. Se pare că frații grei ai protonului sunt, de asemenea, formați din aceiași quarci ca protonul, deși sunt de o jumătate și jumătate sau chiar de două ori mai grei decât protonul. Ele diferă de proton (și diferă unele de altele) nu compoziţie, dar reciprocă Locație cuarcuri, prin starea în care acești cuarcuri sunt relativ unul față de celălalt. Este suficient să schimbăm poziția reciprocă a quarcilor - și vom obține o altă particulă, vizibil mai grea, din proton.
Dar ce se întâmplă dacă tot luați și colectați împreună mai mult de trei quarci? Se va obține o nouă particulă grea? În mod surprinzător, nu va funcționa - quarcii se vor rupe în trei și se vor transforma în mai multe particule disparate. Din anumite motive, naturii „nu-i place” să combine mulți quarci într-unul singur! Doar foarte recent, literalmente în anul trecut, au început să apară indicii că unele particule multiquark există, dar acest lucru nu face decât să sublinieze cât de mult nu le place naturii.
Din această combinatorie rezultă o concluzie foarte importantă și profundă - masa hadronilor nu este deloc formată din masa quarcilor. Dar dacă masa unui hadron poate fi mărită sau scăzută prin simpla recombinare a blocurilor sale de construcție, atunci quarcii înșiși nu sunt deloc responsabili pentru masa hadronilor. Într-adevăr, în experimentele ulterioare, a fost posibil să se descopere că masa cuarcilor în sine este doar aproximativ două procente din masa protonului, iar restul gravitației apare din cauza câmpului de forță (particule speciale - gluoni) care leagă quarkurile împreună. Schimbând aranjamentul reciproc al quarcilor, de exemplu, prin îndepărtarea lor unul de celălalt, schimbăm norul gluon, îl facem mai masiv, motiv pentru care masa hadronului crește (Fig. 1).
Ce se întâmplă în interiorul unui proton care zboară rapid?
Tot ceea ce este descris mai sus se referă la un proton nemișcat, în limbajul fizicienilor, aceasta este structura unui proton în cadrul său de repaus. Cu toate acestea, în experiment, structura protonului a fost descoperită pentru prima dată în alte condiții - în interior zbor rapid proton.
La sfârșitul anilor 1960, în experimentele de ciocnire a particulelor la acceleratoare, s-a observat că protonii care zboară cu viteza aproape de lumină se comportau ca și cum energia din interiorul lor nu ar fi distribuită uniform, ci concentrată în obiecte compacte separate. Aceste aglomerări de materie din interiorul protonilor, celebrul fizician Richard Feynman a propus să le numească partoni(din engleza parte- parte).
În experimentele ulterioare, multe dintre proprietățile partonilor au fost studiate - de exemplu, sarcina lor electrică, numărul lor și proporția de energie protonică pe care o transportă fiecare. Se pare că partonii încărcați sunt cuarci, iar partonii neutri sunt gluoni. Da, da, chiar gluonii, care în cadrul de repaus al protonului pur și simplu „au servit” quarcilor, atragându-i unul către celălalt, sunt acum partoni independenți și, împreună cu quarcii, transportă „materia” și energia unui proton zburător. Experimentele au arătat că aproximativ jumătate din energie este stocată în quarci și jumătate în gluoni.
Partonii sunt studiați cel mai convenabil în ciocnirea protonilor cu electronii. Cert este că, spre deosebire de proton, electronul nu participă la interacțiuni nucleare puternice, iar ciocnirea sa cu protonul pare foarte simplă: electronul este foarte un timp scurt emite un foton virtual care se prăbușește într-un parton încărcat și în cele din urmă generează un număr mare de particule (Fig. 2). Putem spune că electronul este un bisturiu excelent pentru „deschiderea” protonului și împărțirea lui în părți separate – totuși, doar pentru o perioadă foarte scurtă de timp. Știind cât de des apar astfel de procese la accelerator, este posibil să se măsoare numărul de partoni din interiorul protonului și sarcinile acestora.
Cine sunt adevărații partoni?
Și aici ajungem la o altă descoperire uimitoare pe care fizicienii au făcut-o în timp ce studiau ciocnirile de particule elementare la energii mari.
În condiții normale, întrebarea în ce constă acest sau acel obiect are un răspuns universal pentru toate cadrele de referință. De exemplu, o moleculă de apă este formată din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen - și nu contează dacă ne uităm la o moleculă staționară sau în mișcare. Cu toate acestea, această regulă - ar părea atât de firească! - încălcat dacă vorbim despre particulele elementare care se deplasează cu viteze apropiate de viteza luminii. Într-un cadru de referință, o particulă complexă poate consta dintr-un set de subparticule, iar într-un alt cadru de referință, dintr-un altul. Se pare că compoziția este un concept relativ!
Cum poate fi aceasta? Cheia aici este o proprietate importantă: numărul de particule din lumea noastră nu este fix - particulele pot să se nască și să dispară. De exemplu, dacă doi electroni cu o energie suficient de mare sunt împinși împreună, atunci în plus față de acești doi electroni se pot naște fie un foton, fie o pereche electron-pozitron, fie alte particule. Toate acestea sunt permise de legile cuantice și exact asta se întâmplă în experimentele reale.
Dar această „lege a neconservării” particulelor funcționează în ciocniri particule. Dar cum se face că același proton din puncte de vedere diferite arată ca fiind format dintr-un set diferit de particule? Faptul este că un proton nu sunt doar trei quarci la un loc. Există un câmp de forță gluon între quarci. În general, un câmp de forță (cum ar fi, de exemplu, un câmp gravitațional sau electric) este un fel de „entitate” materială care pătrunde în spațiu și permite particulelor să exercite forță unele asupra altora. LA teoria cuantica câmpul este format și din particule, deși speciale - virtuale. Numărul acestor particule nu este fix, ele „înmugurează” în mod constant din quarci și sunt absorbite de alți quarci.
odihnindu-se Protonul poate fi considerat într-adevăr trei quarci, între care sar gluonii. Dar dacă privim același proton dintr-un cadru de referință diferit, ca de la fereastra unui „tren relativist” care trece, vom vedea o imagine complet diferită. Acei gluoni virtuali care au lipit quarcii împreună vor părea a fi particule mai puțin virtuale, „mai reale”. Ei, desigur, sunt încă născuți și absorbiți de quarci, dar în același timp trăiesc singuri de ceva timp, zburând lângă quarci, ca niște particule reale. Ceea ce pare un simplu câmp de forță într-un cadru se transformă într-un flux de particule într-un alt cadru! Rețineți că nu atingem protonul în sine, ci doar îl privim dintr-un cadru de referință diferit.
Mai departe mai mult. Cu cât viteza „trenului nostru relativist” este mai aproape de viteza luminii, cu atât o imagine mai uimitoare în interiorul protonului o vom vedea. Pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, vom observa că în interiorul protonului sunt din ce în ce mai mulți gluoni. Mai mult, uneori se împart în perechi quark-antiquark, care zboară, de asemenea, unul lângă altul și sunt, de asemenea, considerați partoni. Drept urmare, un proton ultrarelativist, adică un proton care se mișcă în raport cu noi cu o viteză foarte apropiată de viteza luminii, apare ca nori de quarci, antiquarci și gluoni care zboară împreună și par să se susțină reciproc (Fig. 3).
Cititorul familiarizat cu teoria relativității poate fi îngrijorat. Întreaga fizică se bazează pe principiul că orice proces se desfășoară în același mod în toate cadrele de referință inerțiale. Și aici rezultă că compoziția protonului depinde de cadrul de referință din care îl observăm?!
Da, așa este, dar nu încalcă în niciun fel principiul relativității. rezultate procese fizice- de exemplu, ce particule și câte se nasc ca urmare a unei coliziuni - se dovedesc într-adevăr a fi invariante, deși compoziția protonului depinde de cadrul de referință.
Această situație, neobișnuită la prima vedere, dar care satisface toate legile fizicii, este ilustrată schematic în Figura 4. Ea arată cum arată o coliziune a doi protoni de înaltă energie în cadre de referință diferite: în cadrul de repaus al unui proton, în cadrul centrului de masă, în cadrul de repaus al altui proton. Interacțiunea dintre protoni se realizează printr-o cascadă de gluoni de scindare, dar numai într-un caz această cascadă este considerată „interiorul” unui proton, în celălalt caz face parte dintr-un alt proton, iar în al treilea caz este doar un obiect pe care doi protoni îl schimbă. Această cascadă există, este reală, dar căreia parte a procesului ar trebui să i se atribuie depinde de cadrul de referință.
Portretul 3D al unui proton
Toate rezultatele pe care tocmai le-am descris s-au bazat pe experimente efectuate cu destul de mult timp în urmă - în anii 60 și 70 ai secolului trecut. S-ar părea că de atunci totul ar trebui deja studiat și toate întrebările ar trebui să-și găsească răspunsurile. Dar nu - dispozitivul cu protoni este încă unul dintre cele mai multe subiecte interesanteîn fizica particulelor elementare. Mai mult, în ultimii ani, interesul pentru el a crescut din nou, deoarece fizicienii au descoperit cum să obțină un portret „tridimensional” al unui proton în mișcare rapidă, care s-a dovedit a fi mult mai complicat decât portretul unui proton staționar.
Experimentele clasice de coliziune cu protoni spun doar despre numărul de partoni și despre distribuția lor de energie. La astfel de experimente, partonii participă ca obiecte independente, ceea ce înseamnă că este imposibil să înveți de la ei cum sunt localizați partonii unul față de celălalt, cum exact se adună la un proton. Se poate spune că pentru o lungă perioadă de timp doar un portret „unidimensional” al unui proton care zboară rapid a fost disponibil pentru fizicieni.
Pentru a construi un portret real, tridimensional, al protonului și pentru a cunoaște distribuția partonilor în spațiu, sunt necesare experimente mult mai subtile decât cele care au fost posibile acum 40 de ani. Fizicienii au învățat să efectueze astfel de experimente destul de recent, literalmente în ultimul deceniu. Ei și-au dat seama că printre numărul imens de reacții diferite care apar atunci când un electron se ciocnește cu un proton, există o reacție specială - împrăștiere Compton virtuală profundă, - care va putea spune despre structura tridimensională a protonului.
În general, împrăștierea Compton, sau efectul Compton, este ciocnirea elastică a unui foton cu o anumită particule, cum ar fi un proton. Arată așa: un foton sosește, este absorbit de un proton, care intră pentru scurt timp într-o stare excitată și apoi revine la starea inițială, emițând un foton într-o anumită direcție.
Imprăștirea Compton a fotonilor obișnuiți de lumină nu duce la nimic interesant - este o simplă reflectare a luminii de la un proton. Pentru a „intra în joc” structura internă a protonului și a „simți” distribuția quarcilor, este necesar să folosiți fotoni de energie foarte mare – de miliarde de ori mai mult decât în lumina obișnuită. Și tocmai astfel de fotoni - totuși, virtuali - sunt generați cu ușurință de un electron incident. Dacă acum combinăm unul cu celălalt, atunci obținem împrăștierea Compton virtuală profundă (Fig. 5).
Principala caracteristică a acestei reacții este că nu distruge protonul. Fotonul incident nu lovește doar protonul, ci, parcă, îl simte cu grijă și apoi zboară departe. Direcția în care zboară și ce parte din energia ia protonul depinde de structura protonului, de poziția relativă a partonilor în interiorul acestuia. De aceea, prin studierea acestui proces, este posibil să se restabilească aspectul tridimensional al protonului, ca și cum „i-ar modela sculptura”.
Adevărat, este foarte dificil pentru un fizician experimental să facă asta. Procesul dorit apare destul de rar și este dificil să îl înregistrați. Primele date experimentale despre această reacție au fost obținute abia în 2001 la acceleratorul HERA din complexul de acceleratoare german DESY din Hamburg; noua serie de date este acum procesată de experimentatori. Cu toate acestea, deja astăzi, pe baza primelor date, teoreticienii desenează distribuții tridimensionale ale quarcilor și gluonilor în proton. Mărimea fizică, despre care fizicienii obișnuiau să construiască doar presupuneri, a început în sfârșit să „apare” din experiment.
Așteptăm vreunul descoperiri neașteptate in aceasta regiune? Este probabil ca da. Ca o ilustrare, sa spunem ca in noiembrie 2008 a aparut un articol teoretic interesant, care spune ca un proton care zboara rapid nu trebuie sa arate ca un disc plat, ci ca o lentila biconcava. Acest lucru se întâmplă deoarece partonii care se află în regiunea centrală a protonului sunt mai comprimați pe direcția longitudinală decât partonii care se află pe margini. Ar fi foarte interesant să testăm experimental aceste predicții teoretice!
De ce sunt toate acestea interesante pentru fizicieni?
De ce fizicienii trebuie să știe exact cum este distribuită materia în interiorul protonilor și neutronilor?
În primul rând, acest lucru este cerut de însăși logica dezvoltării fizicii. Există multe sisteme uimitor de complexe în lume cărora fizica teoretică modernă nu le poate face încă pe deplin. Hadronii sunt un astfel de sistem. Înțelegând structura hadronilor, perfecționăm capacitatea fizicii teoretice, care se poate dovedi a fi universală și, poate, ajută la ceva complet diferit, de exemplu, în studiul supraconductorilor sau al altor materiale cu proprietăți neobișnuite.
În al doilea rând, există un beneficiu imediat pentru fizica nucleară. În ciuda a aproape un secol de istorie în studierea nucleelor atomice, teoreticienii încă nu cunosc legea exactă a interacțiunii protonilor și neutronilor.
Ei trebuie să ghicească parțial această lege pe baza datelor experimentale și, parțial, să o construiască pe baza cunoștințelor despre structura nucleonilor. Aici vor ajuta noi date despre structura tridimensională a nucleonilor.
În al treilea rând, în urmă cu câțiva ani, fizicienii au reușit să obțină nimic mai puțin decât o nouă stare agregată a materiei - plasmă cuarc-gluon. În această stare, quarcii nu stau în interiorul protonilor și neutronilor individuali, ci se plimbă liber în jurul întregului grup de materie nucleară. Se poate realiza, de exemplu, după cum urmează: nucleele grele sunt accelerate în accelerator la o viteză foarte apropiată de viteza luminii și apoi se ciocnesc frontal. În această ciocnire, pentru un timp foarte scurt, se ridică o temperatură de trilioane de grade, care topește nucleele într-o plasmă de cuarc-gluon. Deci, se dovedește că calculele teoretice ale acestei topiri nucleare necesită o bună cunoaștere a structurii tridimensionale a nucleonilor.
În cele din urmă, aceste date sunt foarte necesare pentru astrofizică. Când stelele grele explodează la sfârșitul vieții, ele lasă adesea obiecte extrem de compacte - stele neutronice și posibil cuarci. Miezul acestor stele este format în întregime din neutroni și poate chiar din plasmă rece de quarc-gluoni. Astfel de stele au fost descoperite de mult, dar ceea ce se întâmplă în interiorul lor poate fi doar ghicit. Deci, o bună înțelegere a distribuțiilor cuarcilor poate duce la progrese și în astrofizică.
În primul rând, trebuie să înțelegeți că există patru tipuri separate de energie eliberată:
1) energie chimica, care alimentează mașinile noastre, precum și majoritatea dispozitivelor civilizației moderne;
2) energie de fisiune nucleară, folosită pentru a genera aproximativ 15% din energia electrică pe care o consumăm;
3) energia fuziunii nucleare fierbinți, care alimentează soarele și majoritatea stelelor;
4) energia fuziunii nucleare la rece, care este observată de unii experimentatori în studii de laborator și a cărei existență este respinsă de majoritatea oamenilor de știință.
Cantitatea de energie nucleară eliberată (căldură/liră de combustibil) pentru toate cele trei tipuri este de 10 milioane de ori mai mare decât cea a energiei chimice. Cum diferă aceste tipuri de energie? Pentru a înțelege această problemă, sunt necesare anumite cunoștințe în domeniul chimiei și fizicii.
Folosind ofertele acestui magazin online de vânzare de bunuri pentru casă, puteți cumpăra cu ușurință orice bun la prețuri accesibile.
Natura ne-a oferit două tipuri de particule încărcate stabil: protoni și electroni. Un proton este o particulă grea, de obicei foarte mică, încărcată pozitiv. Electronul este de obicei ușor, mare, cu granițe neclare și are o sarcină negativă. Sarcinile pozitive și negative se atrag reciproc, la fel cum polul nord al unui magnet atrage polul sud. Dacă un magnet este adus cu polul său nord la polul Sud alt magnet, se vor ciocni. Ciocnirea va elibera o cantitate mică de energie sub formă de căldură, dar este prea mică pentru a fi măsurată cu ușurință. Pentru a separa magneții, trebuie să faci muncă, adică să cheltuiești energie. Este aproximativ același lucru cu ridicarea unei pietre înapoi pe deal.
Când o piatră se rostogolește pe un deal, se eliberează o cantitate mică de căldură, dar procesul de ridicare a pietrei în sus necesită energie.
În același mod, sarcina pozitivă a protonului se ciocnește cu sarcina negativă a electronului, ei „lipând împreună”, eliberând energie. Rezultatul este un atom de hidrogen, denumit H. Un atom de hidrogen nu este altceva decât un electron neclar care învelește un proton mic. Dacă eliminați un electron dintr-un atom de hidrogen, obțineți un ion H + încărcat pozitiv, care nu este nimic mai mult decât protonul original. „Ion” este denumirea aplicată unui atom sau moleculă care a pierdut sau a câștigat unul sau mai mulți electroni și, prin urmare, nu mai este neutră.
După cum știți, în natură există mai mult de un fel de atomi. Avem atomi de oxigen, atomi de azot, atomi de fier, atomi de heliu și altele. Cum sunt toate diferite? Toate au nuclee tip diferit, iar toate nucleele conțin cantitate diferită protoni, ceea ce înseamnă că au o sarcină pozitivă diferită. Un nucleu de heliu conține 2 protoni, ceea ce înseamnă că are o sarcină plus 2 și este nevoie de 2 electroni pentru a neutraliza sarcina. Când 2 electroni sunt „lipiți” de el, se formează un atom de heliu. Nucleul de oxigen conține 8 protoni și are o sarcină de 8. Când 8 electroni sunt „lipiți” de el, se formează un atom de oxigen. Un atom de azot are 7 electroni, un atom de fier are aproximativ 26. Cu toate acestea, structura tuturor atomilor este aproximativ aceeași: un nucleu mic, încărcat pozitiv, situat într-un nor de electroni difuzi. Diferența de dimensiune dintre nucleu și electroni este uriașă.
Diametrul Soarelui este de numai 100 de ori diametrul Pământului. Diametrul norului de electroni dintr-un atom este de 100.000 de ori diametrul nucleului. Pentru a obține diferența de volume, este necesar să ridicați aceste numere la un cub.
Acum suntem gata să înțelegem ce este energia chimică. Atomii, fiind neutri din punct de vedere electric, se pot lega de fapt unii cu alții, eliberând mai multă energie. Cu alte cuvinte, ele pot fi combinate în configurații mai stabile. Deja în atom, electronii încearcă să se distribuie în așa fel încât să se apropie cât mai mult de nucleu, dar, datorită naturii lor neclare, necesită o anumită cantitate de spațiu. Cu toate acestea, atunci când sunt combinați cu electronii altui atom, aceștia formează de obicei o configurație mai apropiată, care le permite să se apropie de nuclee. De exemplu, 2 atomi de hidrogen se pot combina într-o configurație mai compactă dacă fiecare atom de hidrogen donează electronul său unui nor de 2 electroni, care este împărțit între doi protoni.
Astfel, ei formează un grup format din doi electroni într-un singur nor și doi protoni separați unul de celălalt de spațiu, dar, totuși, situați în interiorul norului de electroni. Ca urmare, are loc o reacție chimică care are loc cu eliberarea de căldură: H + H => H G (semnul „=>” înseamnă „intră în” sau „devine”). Configurația H2 este o moleculă de hidrogen; atunci când cumperi un balon cu hidrogen, nu obții nimic mai mult decât molecule H. Mai mult, atunci când sunt combinați, doi electroni H 2 și electroni cu 8 atomi de O pot forma o configurație și mai compactă - o moleculă de apă H O plus căldură. De fapt, o moleculă de apă este un singur nor de electroni, în interiorul căruia există trei nuclee punctuale. O astfel de moleculă este configurația energetică minimă.
Astfel, prin arderea petrolului sau a cărbunelui, redistribuim electronii. Aceasta duce la formarea unor configurații mai stabile de nuclee punctiforme în interiorul norilor de electroni și este însoțită de eliberarea de căldură. Aceasta este natura energiei chimice.
În discuția anterioară, am omis un punct. De ce nucleele din natură conțin inițial doi sau mai mulți protoni? Fiecare proton are o sarcină pozitivă, iar atunci când distanța dintre sarcinile pozitive este atât de mică încât este proporțională cu spațiul din jurul nucleului, acestea se resping reciproc. Repulsia sarcinilor similare este similară cu repulsia care are loc între polii nordici ai doi magneți atunci când încearcă să-i conecteze incorect. Trebuie să existe ceva care să învingă această repulsie, altfel ar exista doar atomii de hidrogen. Din fericire, vedem că nu este cazul.
Există un alt tip de forță care acționează asupra protonului. Aceasta este energia nucleară. Datorită faptului că este foarte mare, particulele sunt ținute ferm aproape una peste alta. În plus, există un al doilea tip de particule grele, care diferă de proton doar prin faptul că nu au încărcătură nici pozitivă, nici negativă. Ele nu sunt respinse de sarcina pozitivă a protonului. Aceste particule sunt numite „neutroni” deoarece sunt neutre din punct de vedere electric. Particularitatea este că starea neschimbată a particulelor este posibilă numai în interiorul nucleului. Când o particulă se află în afara nucleului, în aproximativ 10 minute se transformă într-un proton, un electron și un antineutrin foarte ușor. Cu toate acestea, în interiorul nucleului, acesta poate rămâne neschimbat pentru o perioadă de timp arbitrară. Oricum ar fi, neutronul și protonul sunt foarte puternic atrași unul de celălalt. După ce s-au apropiat la o distanță suficientă, se conectează, formând o pereche foarte puternică, așa-numitul deuteron, care este notat cu D +. Un singur deuteron se combină cu un singur electron pentru a forma un atom greu de hidrogen, sau deuteriu, notat cu D.
A doua reacție nucleară are loc atunci când doi deutroni interacționează. Când doi deuteroni sunt forțați să interacționeze, se combină pentru a forma o particulă care are o încărcare dublă. Un grupare de doi protoni și doi neutroni este chiar mai stabil decât un grupare proton-neutronîn deuteron. Noua particulă, neutralizată de 2 electroni, devine nucleul unui atom de heliu, care este denumit He. În natură, există și grupuri mari care sunt nucleele de carbon, azot, oxigen, fier și alți atomi. Existența tuturor acestor grupări este posibilă datorită forței nucleare care ia naștere între particule atunci când interacționează între ele sau împart un volum total de spațiu egal cu dimensiunea nucleului.
Acum putem înțelege natura energiei nucleare obișnuite, care este de fapt energie de fisiune nucleară. Pentru istoria timpurie stele masive formate în univers. În timpul exploziei unor astfel de stele masive, s-au format nuclee de multe tipuri și au izbucnit din nou în spațiul cosmic. Planetele și stelele, inclusiv Soarele, s-au format din această masă.
Este posibil ca în timpul exploziei să fi apărut toate configurațiile stabile posibile de protoni și neutroni, precum și grupuri practic stabile precum nucleul de uraniu. De fapt, există trei tipuri de nuclee de uraniu: uraniu-234, uraniu-235 și uraniu-238. Acești „izotopi” diferă în ceea ce privește numărul de neutroni, cu toate acestea, toți conțin 92 de protoni. Nucleele oricărui tip de atom de uraniu se pot schimba în configurații de energie mai scăzută prin ejectarea nucleelor de heliu, cu toate acestea, acest proces este atât de rar încât uraniul terestru își păstrează proprietățile timp de aproximativ 4 miliarde de ani.
Cu toate acestea, există o altă modalitate de a rupe configurația nucleului de uraniu. LA in termeni generali, grupările de protoni și neutroni sunt cele mai stabile dacă conțin aproximativ 60 de perechi proton-neutron. Numărul de astfel de perechi conținute în nucleul uraniului este de trei ori mai mare decât această cifră. Ca rezultat, tinde să se împartă în două părți, eliberând în același timp o cantitate mare de căldură. Cu toate acestea, natura nu îi permite să se separe. Pentru a face acest lucru, trebuie mai întâi să treacă într-o configurație de energie mai mare. Cu toate acestea, un tip de uraniu, uraniul-235, denumit 235 U, obține energia de care are nevoie prin captarea unui neutron. După ce a primit astfel energia necesară, nucleul se dezintegrează, eliberând o cantitate mare energie și eliberând neutroni suplimentari. Acești neutroni suplimentari pot fisiune la rândul lor nucleele de uraniu-235, ducând la o reacție în lanț.
Este acest proces care are loc în centrale nucleare, unde căldura, care este produsul final al fisiunii nucleare, este folosită pentru a fierbe apa, a produce abur și a porni un generator electric. (Dezavantajul acestei metode este eliberarea deșeurilor radioactive, care trebuie eliminate în mod fiabil).
Acum suntem gata să înțelegem esența fuziunii nucleare fierbinți. După cum sa menționat în lecția 5, clusterele de protoni și neutroni sunt cele mai stabile atunci când numărul de protoni și neutroni corespunde aproximativ cu numărul lor din nucleul unui atom de fier. La fel ca uraniul, care în mod normal conține prea mulți neutroni-protoni, elementele ușoare precum hidrogenul, heliul, carbonul, azotul și oxigenul conțin prea puține dintre aceste perechi.
Dacă creați condițiile necesare pentru ca aceste nuclee să interacționeze, ele se vor combina în grupări mai stabile cu eliberarea de căldură. Acesta este procesul de sinteză. În natură, se găsește în stele precum Soarele. În natură, hidrogenul comprimat este foarte fierbinte și, după un timp, are loc o reacție de fuziune. Dacă procesul ar fi avut loc inițial cu deutroni, care conțin deja un proton și un neutron dublat, reacțiile în stele ar avea loc relativ ușor. Viteza cu care un atom de fiecare tip particular se deplasează în interiorul unui nor de atomi similari depinde direct de temperatură. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât viteza este mai mare și atomii sunt mai aproape unul de celălalt, producând o singură coliziune.
În stele, temperatura este suficient de ridicată pentru ca electronii să părăsească nucleul. Astfel, putem spune că în realitate avem de-a face cu un nor mixt de electroni și nuclee. La foarte temperatura ridicata nucleele din momentul ciocnirii sunt atât de aproape unul de celălalt încât forța nucleară este activată, atrăgându-i unul către celălalt. Ca rezultat, nucleele se pot „lipi” și se pot transforma într-un grup de protoni și neutroni cu energie mai mică, eliberând căldură. Fuziunea la cald este o încercare de a realiza acest proces în laborator folosind deuteriu și hidrogen ternar (al cărui nucleu conține 1 proton și 2 neutroni) ca gaz. Pentru fuziunea la cald, este necesară menținerea unei temperaturi a gazului de sute de milioane de grade, care, cu ajutorul camp magnetic poate fi atins, dar numai pentru 1-2 secunde. Se speră că va fi posibilă menținerea temperaturii gazului pentru o perioadă mai lungă de timp. Atâta timp cât temperatura este suficient de ridicată, reacția nucleară are loc în momentul ciocnirii nucleelor.
Principala formă în care se eliberează energia este eliberarea de neutroni și protoni de înaltă energie. Protonii sunt transformați foarte repede în căldură. Energia neutronilor se poate transforma și în căldură, totuși, după aceea echipamentul devine radioactiv. Este foarte dificil să decontaminați echipamentele, așa că fuziunea la cald nu este potrivită ca metodă pentru generarea de energie comercială. În orice caz, energia fuziunii fierbinți este un vis care există deja, potrivit macar, 50 de ani. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor de știință consideră fuziunea la cald ca singura modalitate de a genera energie de fuziune. Procesul de fuziune la cald produce mai puține radiații decât fisiunea, este o sursă de combustibil ecologic și practic nelimitată pe Pământ (față de consumul modern de energie, ar fi suficient pentru multe milioane de ani).
În sfârșit, ajungem la explicația fuziunii la rece. Fuziunea la rece ar putea fi o modalitate simplă și neradioactivă de a elibera energia de fuziune. În procesul de fuziune la rece, protonii și neutronii unui nucleu interacționează cu protonii și neutronii altuia într-un mod complet diferit.
În același timp, forța nucleară contribuie la faptul că acestea formează o configurație mai stabilă. Pentru orice reacție nucleară, este necesar ca nucleele care reacţionează să aibă un volum comun de spațiu. Această cerință se numește aliniere a particulelor. În fuziunea la cald, particulele sunt combinate pentru o perioadă scurtă de timp, când forța de respingere a două sarcini pozitive este depășită și nucleele se ciocnesc. În timpul fuziunii la rece, alinierea particulelor este realizată prin forțarea nucleelor de deuteriu să se comporte ca niște particule neclare, precum electronii, mai degrabă decât particule minuscule. Când se adaugă hidrogen ușor sau greu unui metal greu, fiecare „atom” de hidrogen ocupă o poziție în care este înconjurat pe toate părțile de atomi de metale grele.
Această formă de hidrogen se numește intermediară. Electronii atomilor de hidrogen, împreună cu hidrogenul intermediar, devin parte din masa electronilor din metal. Fiecare nucleu de hidrogen oscilează ca un pendul, trecând printr-un nor încărcat negativ de electroni metalici. O astfel de vibrație apare chiar și la temperaturi foarte scăzute, în conformitate cu postulatele mecanicii cuantice. Această mișcare se numește mișcare la punctul zero. În acest caz, nucleele devin obiecte neclare, precum electronii dintr-un atom. Cu toate acestea, o astfel de neclaritate nu este suficientă pentru a permite unui nucleu de hidrogen să interacționeze cu altul.
O altă condiție este necesară pentru ca două sau mai multe nuclee de hidrogen să aibă același spațiu comun. Electricitate, purtat de electroni într-un metal, se comportă ca o undă de material care vibra, și nu ca particule punctiforme. Dacă electronii nu s-ar comporta ca undele în solide, nu ar exista tranzistori sau calculatoare moderne. Un electron sub formă de undă se numește un electron al funcției Bloch. Secretul fuziunii la rece este necesitatea de a obține un deuteron al funcției Bloch. Pentru ca doi sau mai mulți deutroni să aibă un volum comun de spațiu, deutronii de undă trebuie să fie produși în interiorul sau pe suprafața unui solid. De îndată ce sunt creați deuteronii funcției Bloch, forța nucleară începe să acționeze, iar protonii și neutronii care alcătuiesc deutronul sunt reorganizați într-o configurație mai stabilă de heliu a funcției Bloch, care este însoțită de eliberarea de căldură.
Pentru a studia fuziunea la rece, experimentatorul trebuie să facă deuteronii să intre într-o stare de undă și să-i mențină în acea stare. Experimentele de fuziune la rece care demonstrează eliberarea de căldură în exces demonstrează că acest lucru este posibil. Cu toate acestea, până acum nimeni nu știe cum să efectueze un astfel de proces în cel mai fiabil mod. Utilizarea fuziunii la rece promite obținerea unei resurse energetice care va dura milioane de ani și nu vor fi probleme. încălzire globală, nici radioactivitatea – de aceea ar trebui depuse eforturi serioase pentru a studia acest fenomen.
Aktobe, 2014
Hadron. Clasa de particule elementare care participă la interacțiunea puternică. Hadronii sunt formați din quarci și sunt împărțiți în două grupe: barioni (formați din trei quarci) și mezoni (formați dintr-un quarc și un antiquarc). Cea mai mare parte a materiei pe care le observăm constă din barioni: protoni și nucleoni care fac parte din nucleele atomilor.
Activitatea sursei de radiații este raportul dintre numărul total de dezintegrari ale nucleelor radioactive dintr-o sursă radioactivă și timpul de dezintegrare.
radiatii alfa- tip de radiație ionizantă - un flux de particule încărcate pozitiv (particule alfa) emise în timpul dezintegrarii radioactive și a reacțiilor nucleare. Puterea de penetrare a radiației alfa este scăzută (întârziată de o foaie de hârtie). Este extrem de periculos ca sursele de radiații alfa să pătrundă în organism cu alimente, aer sau prin leziuni ale pielii.
Dezintegrarea alfa(sau dezintegrare α) - emisie spontană de particule alfa (nuclee ale atomului de heliu) de către nucleele atomice
particulă alfa- o particulă formată din doi protoni și doi neutroni. Identic cu nucleul atomului de heliu.
Anihilare- interacțiunea unei particule elementare și a unei antiparticule, în urma căreia acestea dispar, iar energia lor este transformată în radiație electromagnetică.
Anihilarea este reacția de transformare a unei particule și a unei antiparticule la ciocnirea în alte particule.
O antiparticulă este o particulă care are aceleași valori de masă, spin, sarcină și alte proprietăți fizice ca și particulele sale „geamăne”, dar diferă de aceasta prin semnele unor caracteristici de interacțiune (de exemplu, în semnul sarcinii electrice). ).
Antiparticulele sunt gemeni ale particulelor elementare obișnuite, care diferă de acestea din urmă prin semnul sarcinii electrice și semnele altor caracteristici. Particulele și antiparticulele au aceleași mase, spinuri și durate de viață.
AC- centrala nucleara - intreprindere industriala pentru producerea de energie electrica sau termica folosind unul sau mai multe reactoare nucleare si un complex sistemele necesare, dispozitive, echipamente și structuri cu personalul necesar,
Atom- cea mai mică particulă a unui element chimic care își păstrează proprietățile. Constă dintr-un nucleu cu protoni și neutroni și electroni care se mișcă în jurul nucleului. Numărul de electroni dintr-un atom este egal cu numărul de protoni din nucleu.
Masă atomică este masa unui atom al unui element chimic, exprimată în unități de masă atomică (a.m.u.). Pentru 1 amu Se acceptă 1/12 din masa unui izotop de carbon cu masa atomică 12. 1amu = 1,6605655 10-27 kg. Masa atomică este suma maselor tuturor protonilor și neutronilor dintr-un atom dat.
nucleul atomic- partea centrală a atomului încărcată pozitiv, în jurul căreia se învârt electronii și în care se concentrează aproape întreaga masă a atomului. Constă din protoni și neutroni. Sarcina nucleară este determinată de sarcina totală a protonilor din nucleu și corespunde numărului atomic al elementului chimic din sistemul periodic de elemente.
barionii- particule formate din trei quarci care determină numerele lor cuantice. Toți barionii, cu excepția protonului, sunt instabili.
bazin de depozitare- o instalație situată la locul reactorului unei centrale nucleare pentru depozitarea temporară a combustibilului nuclear uzat sub un strat de apă în scopul reducerii radioactivității și a căldurii de descompunere.
becquerel(Bq) este unitatea SI a activității unei substanțe radioactive. 1 Bq este egal cu activitatea unei astfel de substanțe radioactive, în care un act de dezintegrare are loc în 1 s.
raze β γ este fluxul de electroni rapizi.
razele α este fluxul de nuclee de heliu.
razele γ - undele electromagnetice cu o lungime de undă foarte scurtă (L ~ 10 -10 m).
radiații beta- tip de radiație ionizantă - un flux de electroni sau pozitroni emis în timpul reacțiilor nucleare sau al dezintegrarii radioactive. Radiația beta poate pătrunde în țesuturile corpului până la o adâncime de 1 cm.Pună un pericol pentru oameni atât în ceea ce privește expunerea externă, cât și internă.
particule beta- electroni și pozitroni emiși de nucleele atomice, precum și un neutron liber în timpul dezintegrarii beta. În timpul dezintegrarii beta electronice a unui nucleu atomic, este emis un electron e - (precum și un antineutrin), în timpul dezintegrarii pozitronilor nucleelor - un pozitron e + (și un neutrin ν). Când un neutron liber (n) se descompune, se formează un proton (p), un electron și un antineutrino: n → p + e - +.
Electroni și pozitroni– particule stabile cu spin J = 1/2 (moment unghiular mecanic intern), aparținând clasei leptonilor. Pozitronul este antiparticula față de electron.
Protectie biologica- bariera de radiații creată în jurul miezului reactorului și a sistemului său de răcire pentru a preveni efecte nocive radiații neutronice și gama asupra personalului, publicului și mediu inconjurator. Betonul este principalul material de protecție biologică la o centrală nucleară. Pentru reactoarele de mare putere, grosimea ecranului de protecție din beton ajunge la câțiva metri.
bozoni(de la numele fizicianului indian S. Bose) - particule elementare, nuclee atomice, atomi cu spin zero sau întreg (0ћ, 1ћ, 2ћ, ...).
neutroni rapizi- neutroni, a căror energie cinetică este mai mare decât o anumită valoare. Această valoare poate varia într-un interval larg și depinde de aplicație (fizica reactorului, protecție sau dozimetrie). În fizica reactorului, această valoare este cel mai adesea aleasă să fie 0,1 MeV.
camera cu nori– un detector de urmărire de particule încărcate elementare, în care urma (urma) unei particule formează un lanț de mici picături de lichid de-a lungul traiectoriei mișcării sale.
Radiația gamma- tip de radiatii ionizante - radiatii electromagnetice emise in timpul dezintegrarii radioactive si reactiilor nucleare, propagandu-se cu viteza luminii si avand energie si putere de patrundere mare. Este efectiv slăbit atunci când interacționează cu elemente grele, cum ar fi plumbul. Pentru a atenua radiațiile gamma în reactoarele nucleare ale centralelor nucleare, se folosește un ecran de protecție cu pereți groși din beton.
Legea dezintegrarii radioactive- legea prin care se găsește numărul de atomi nedezintegrați: N \u003d N 0 2 -t / T.
Deuteriu- izotop „greu” al hidrogenului cu masa atomică 2.
Detector de radiații ionizante- element sensibil al instrumentului de masura destinat inregistrarii radiatiilor ionizante. Acțiunea sa se bazează pe fenomenele care apar atunci când radiația trece prin materie.
Doza de radiații- în siguranța radiațiilor - o măsură a impactului radiațiilor ionizante asupra unui obiect biologic, în special asupra unei persoane. Există doze de expunere, absorbite și echivalente.
Masa in exces(sau defect de masă) - exprimată în unități de energie, diferența dintre masa unui atom neutru și produsul numărului de nucleoni (numărul total de protoni și neutroni) din nucleul acestui atom pe unitate de masă atomică
izotopi- nuclizi având același număr atomic, dar mase atomice diferite (de exemplu, uraniu-235 și uraniu-238).
izotopi- nuclee atomice acelasi numar protoni Z, un număr diferit de neutroni N și, în consecință, un număr de masă diferit A \u003d Z + N. Exemplu: izotopi de calciu Ca (Z \u003d 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca .
izotopi radioactivi- nuclee izotopice care suferă dezintegrare radioactivă. Majoritatea izotopilor cunoscuți sunt radioactivi (~3500).
camera cu nori- un dispozitiv pentru observarea urmelor de microparticule care se deplasează cu viteză mare (electroni, protoni, particule a, etc.). Creat în 1912 de către fizicianul englez Wilson.
Un quark este o particulă încărcată elementară care participă la interacțiunea puternică. Protonii și neutronii sunt formați fiecare din trei quarci.
radiații cosmice- radiatiile ionizante de fond, care constau din radiatii primare provenite din spațiul cosmic, și radiația secundară rezultată din interacțiunea radiației primare cu atmosfera.
Razele cosmice sunt fluxuri de particule elementare încărcate de înaltă energie (în principal protoni, particule alfa și electroni) care se propagă în spațiul interplanetar și interstelar și „bombardează” continuu Pământul.
factor de multiplicare- cea mai importantă caracteristică a unei reacții de fisiune în lanț, care arată raportul dintre numărul de neutroni dintr-o generație dată și numărul de neutroni din generația anterioară într-un mediu infinit. Este adesea folosită o altă definiție a factorului de multiplicare - raportul dintre ratele de generare și absorbție a neutronilor.
Masa critica- cea mai mică masă de combustibil în care o reacție în lanț auto-susținută de fisiune nucleară poate continua cu o anumită proiectare și compoziție a miezului (depinde de mulți factori, de exemplu: compoziția combustibilului, moderator, forma miezului etc.).
Curie (Ci)- unitate de activitate în afara sistemului, inițial activitatea a 1 g izotop de radiu-226. 1Ci=3,7 1010 Bq.
Masa critica(t k) - cea mai mică masă de combustibil nuclear (uraniu, plutoniu), la care are loc o reacție nucleară în lanț.
Curie(Ki) este o unitate de activitate în afara sistemului a unei substanțe radioactive. 1 Ci \u003d 3,7 10 10 Bq.
Leptoni(din grecescul leptos - ușor, mic) - un grup de particule punctiforme cu un spin de 1/2ћ, care nu participă la o interacțiune puternică. Mărimea leptonului (dacă există)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- electron (e -) și electron neutrin (ν e),
- muon (μ –) și neutrin muon (ν μ),
- tau lepton (τ –) și tau neutrino (ν τ),
Nucleele magice sunt nuclee atomice care conțin așa-numitele numere magice de protoni sau neutroni.
| Z | |||||||
| N |
Aceste nuclee au o energie de legare mai mare decât nucleele vecine. Au o energie mare de separare a nucleonilor și o abundență crescută în natură.
Numar de masa(A) este numărul total de nucleoni (protoni și neutroni) din nucleul atomic; una dintre principalele caracteristici ale nucleului atomic.
Rata dozei- raportul creșterii dozei de radiație pe un interval de timp față de acest interval (de exemplu: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, µrem/h, µSv/h).
Neutroni- neutru elementar frecvent cu o masă apropiată de masa protonilor. Împreună cu protonii, neutronii formează nucleul atomic. În stare liberă, este instabilă și se descompune într-un proton și un electron.
Nuclid- un tip de atom cu un anumit număr de protoni și neutroni în nucleu, caracterizat prin masă atomică și număr atomic (de serie).
Îmbogățire (prin izotop):
2. Un proces care crește conținutul unui anumit izotop într-un amestec de izotopi.
Îmbogăţire minereu de uraniu - un set de procese de prelucrare primară a materiilor prime minerale care conțin uraniu, având ca scop separarea uraniului de alte minerale care alcătuiesc minereul. În acest caz, nu există nicio modificare în compoziția mineralelor, ci doar separarea lor mecanică cu producerea de concentrat de minereu.
Combustibil nuclear îmbogățit- combustibil nuclear, în care conținutul de nuclizi fisionali este mai mare decât în materia primă naturală inițială.
Uraniu îmbogățit- uraniu, în care conținutul de izotop de uraniu-235 este mai mare decât în uraniul natural.
Jumătate de viață(T) este intervalul de timp în care jumătate din numărul inițial de nuclee se va descompune.
Jumătate de viață este timpul necesar pentru ca jumătate din nucleele radioactive să se descompună. Această mărime, notată T 1/2 , este o constantă pentru un nucleu radioactiv dat (izotop). Valoarea lui T 1/2 caracterizează în mod clar rata de dezintegrare a nucleelor radioactive și este echivalentă cu alte două constante care caracterizează această viteză: durata medie de viață a unui nucleu radioactiv τ și probabilitatea dezintegrarii unui nucleu radioactiv pe unitatea de timp λ.
Doza de radiație absorbită- raportul dintre energia absorbită E a radiațiilor ionizante și masa substanței iradiate.
postulatele lui Bohr- principalele ipoteze introduse fără dovezi de N. Bohr, care stau la baza teoriei cuantice a atomului.
Regula de deplasare:în timpul dezintegrarii a, nucleul își pierde sarcina pozitivă 2e, iar masa sa scade cu aproximativ 4 a.m.u.; în dezintegrarea b, sarcina nucleului crește cu 1e, iar masa nu se modifică.
Timpul de înjumătățire al unui radionuclid este timpul în care numărul de nuclee ale unui radionuclid dat scade la jumătate ca urmare a dezintegrarii spontane.
Pozitron- o antiparticulă a unui electron cu masa egală cu masa unui electron, dar cu sarcină electrică pozitivă.
Proton- o particulă elementară stabilă încărcată pozitiv cu o sarcină de 1,61 10-19 C și o masă de 1,66 10-27 kg. Protonul formează nucleul izotopului „uşor” al atomului de hidrogen (protium). Numărul de protoni din nucleul oricărui element determină sarcina nucleului și numărul atomic al acelui element.
Radioactivitate- transformarea spontană (desintegrarea radioactivă) a unui nuclid instabil într-un alt nuclid, însoțită de emisia de radiații ionizante.
Radioactivitate- capacitatea unor nuclee atomice de a se transforma spontan în alte nuclee, în timp ce emit diferite particule.
dezintegrare radioactivă- transformarea nucleară spontană.
Reactor de reproducere- un reactor rapid, în care factorul de conversie depășește 1 și se realizează reproducerea extinsă a combustibilului nuclear.
Contor Geiger(sau contor Geiger-Muller) - un contor plin de gaz de particule elementare încărcate, semnalul electric de la care este amplificat datorită ionizării secundare a volumului de gaz al contorului și nu depinde de energia lăsată de particule în acest volum.
TVEL- un element generator de căldură. Principalul element structural al zonei active a unui reactor eterogen, sub forma căreia este încărcat combustibil în el. În barele de combustibil are loc fisiunea nucleelor grele U-235, Pu-239 sau U-233, însoțită de eliberarea de energie, iar energia termică este transferată de la acestea la lichidul de răcire. Tijele de combustibil constau dintr-un miez de combustibil, o placare și piese de capăt. Tipul elementului de combustibil este determinat de tipul și scopul reactorului, parametrii lichidului de răcire. Elementul de combustibil trebuie să asigure o îndepărtare fiabilă a căldurii de la combustibil la lichidul de răcire.
Corpul de lucru- mediu (purtător de căldură) folosit pentru a transforma energia termică în energie mecanică.
Materie întunecată− substanță invizibilă (neradiantă și neabsorbantă). Existența sa este evidentiată de efectele gravitaționale. Datele observaționale indică, de asemenea, că această materie-energie întunecată este împărțită în două părți:
- prima este așa-numita materie întunecată cu o densitate
W dm = 0,20–0,25, sunt particule masive necunoscute, care interacționează slab (nu barioni). Acestea pot fi, de exemplu, particule neutre stabile cu mase de la 10 GeV/c2 la 10 TeV/c2 prezise de modele supersimetrice, inclusiv neutrini grei ipotetici;
a doua este așa-numita energie întunecată cu o densitate
W Λ = 0,70–0,75), care este interpretat ca un vid. Aceasta se referă la o formă specială de materie - vidul fizic, adică. cea mai joasă stare de energie a câmpurilor fizice care pătrund în spațiu.
reacții termonucleare− reactii de fuziune (sinteza) nucleelor usoare care apar la temperaturi ridicate. Aceste reacții au loc de obicei cu eliberarea de energie, deoarece în nucleul mai greu format ca urmare a fuziunii, nucleonii sunt legați mai puternic, adică. au, în medie, o energie de legare mai mare decât în nucleele de fuziune inițiale. Excesul de energie totală de legare a nucleonilor este apoi eliberat sub forma energiei cinetice a produșilor de reacție. Denumirea „reacții de fuziune” reflectă faptul că aceste reacții au loc la temperaturi ridicate ( > 10 7 –10 8 K), deoarece pentru contopire, nucleele ușoare trebuie să se apropie între ele la distanțe egale cu raza de acțiune a forțelor nucleare de atracție, i.e. până la distanțe ≈10 -13 cm.
Elemente transuraniu- elemente chimice cu sarcina (numar de protoni) mai mare decat cea a uraniului, i.e. Z > 92.
reacție în lanț de fisiune- o reacție auto-susținută de fisiune a nucleelor grele, în care neutronii se reproduc continuu, divând din ce în ce mai multe nuclee noi.
reacție în lanț de fisiune- succesiunea reacției de fisiune a nucleelor atomilor grei atunci când aceștia interacționează cu neutronii sau alte particule elementare, în urma căreia se formează nuclee mai ușoare, noi neutroni sau alte particule elementare și se eliberează energie nucleară.
Reacția nucleară în lanț- subsecventa reactii nucleare, excitat de particule (de exemplu, neutroni) produse în fiecare act al reacției. În funcție de numărul mediu de reacții care urmează uneia anterioară - mai mică, egală sau mai mare decât una - reacția se numește amortizată, autosusținută sau în creștere.
Reacții nucleare în lanț- reactii nucleare autosustinute, in care este implicat secvential un lant de nuclee. Acest lucru se întâmplă atunci când unul dintre produsele unei reacții nucleare reacționează cu un alt nucleu, produsul celei de-a doua reacții reacționează cu următorul nucleu și așa mai departe. Are loc un lanț de reacții nucleare succesive. Cel mai exemplu celebru o astfel de reacție este o reacție de fisiune nucleară cauzată de un neutron
reactii exoterme- reacții nucleare care au loc cu eliberare de energie.
Particule elementare- cele mai mici particule de materie fizică. Ideile despre particulele elementare reflectă acea etapă în cunoașterea structurii materiei, care a fost realizată de știința modernă. Împreună cu antiparticulele, au fost descoperite aproximativ 300 de particule elementare. Termenul „particule elementare” este arbitrar, deoarece multe particule elementare au o structură internă complexă.
Particule elementare- obiecte materiale care nu pot fi împărțite în părți componente. În conformitate cu această definiție, particulele elementare nu pot include molecule, atomi și nuclee atomice care pot fi împărțite în părți constitutive - un atom este împărțit într-un nucleu și electroni orbitali, un nucleu - în nucleoni.
Randamentul energetic al unei reacții nucleare- diferența dintre energiile de repaus ale nucleelor și particulelor înainte și după reacție.
Reacții endoterme- reacţii nucleare care procedează cu absorbţia energiei.
Energia de legare a nucleului atomic(E St) - caracterizează intensitatea interacțiunii nucleonilor din nucleu și este egală cu energia maximă care trebuie cheltuită pentru a împărți nucleul în nucleoni separati care nu interacționează fără a le conferi energie cinetică.
Efectul Mössba uera - fenomenul de absorbție rezonantă a cuantelor gamma de către nucleele atomice fără pierderi de energie pentru revenirea impulsului.
Modelul nuclear (planetar) al atomului- în centru se află un nucleu încărcat pozitiv (diametru cca 10 -15 m); în jurul nucleului, la fel ca planetele sistemului solar, electronii se mișcă pe orbite circulare.
modele nucleare– descrieri teoretice simplificate ale nucleelor atomice bazate pe reprezentarea nucleului ca obiect cu proprietăți caracteristice predeterminate.
Reacție de fisiune nucleară- reacţia de fisiune a nucleelor atomice ale elementelor grele sub influenţa neutronilor.
reacție nucleară- reacția de transformare a nucleelor atomice ca urmare a interacțiunii între ele sau cu orice particule elementare.
Energie nucleara este energia eliberată ca urmare a restructurării interne a nucleelor atomice. Energia nucleară poate fi obținută în reacții nucleare sau în dezintegrarea radioactivă a nucleelor. Principalele surse de energie nucleară sunt reacțiile de fisiune ale nucleelor grele și sinteza (combinația) nucleelor ușoare. Acest din urmă proces se mai numește și reacții termonucleare.
forte nucleare- forte care actioneaza intre nucleonii din nucleele atomice si determinand structura si proprietatile nucleelor. Sunt cu rază scurtă de acțiune, raza lor este de 10-15 m.
Reactor nuclear - un dispozitiv în care se realizează o reacție controlată în lanț de fisiune nucleară.
O reacție în lanț de fisiune autosusținută este o reacție în lanț într-un mediu pentru care factorul de multiplicare k >= 1.
accident nuclear- Un accident nuclear este pierderea controlului unei reacții în lanț într-un reactor sau formarea unei mase critice în timpul reîncărcării, transportului și depozitării barelor de combustibil. Ca urmare a unui accident nuclear, barele de combustibil sunt deteriorate din cauza dezechilibrului dintre căldura generată și îndepărtată, cu eliberarea de produse radioactive de fisiune în exterior. În acest caz, devine posibilă expunerea potențial periculoasă a oamenilor și contaminarea zonei înconjurătoare. .
Securitatea nucleară- un termen general care caracterizează proprietățile unei instalații nucleare în timpul funcționării normale și, în caz de accident, pentru a limita impactul radiațiilor asupra personalului, publicului și mediului la limite acceptabile.
Fisiune nucleara- un proces însoțit de scindarea nucleului unui atom greu la interacțiunea cu un neutron sau altă particulă elementară, în urma căruia se formează nuclee mai ușoare, noi neutroni sau alte particule elementare și se eliberează energie.
material nuclear- orice material sursă, material nuclear special și uneori minereuri și deșeuri de minereuri.
transformarea nucleară - transformarea unui nuclid în altul.
Reactor nuclear- un dispozitiv în care se realizează o reacție nucleară controlată în lanț. Reactoarele nucleare sunt clasificate în funcție de scop, energia neutronilor, tipul de lichid de răcire și moderator, structura miezului, design și alte caracteristici.
reacție nucleară- transformarea nucleelor atomice, cauzată de interacțiunea lor cu particulele elementare, sau între ele, și însoțită de o modificare a masei, sarcinii sau stării energetice a nucleelor.
Combustibil nuclear - material care conține nuclizi fisionali, care, atunci când sunt plasați într-un reactor nuclear, permite să aibă loc o reacție nucleară în lanț. Are o intensitate energetică foarte mare (la fisiunea completă a 1 kg de U-235 se eliberează energie egală cu J, în timp ce arderea a 1 kg de combustibil organic eliberează energie de ordinul (3-5) J, în funcție de pe tipul de combustibil).
Ciclul combustibilului nuclear- un set de măsuri pentru asigurarea funcționării reactoarelor nucleare desfășurate într-un sistem de întreprinderi interconectate printr-un flux de material nuclear și care include minele de uraniu, instalațiile de prelucrare a minereului de uraniu, conversia uraniului, îmbogățirea și fabricarea combustibilului, reactoare nucleare, depozitarea combustibilului uzat instalații, instalații de reprocesare a combustibilului uzat combustibili și instalații intermediare asociate de depozitare și depozitare pentru eliminarea deșeurilor radioactive
plantă nucleară- orice instalație care generează, prelucrează sau manipulează materiale radioactive sau fisionabile în cantități astfel încât problemele de securitate nucleară trebuie să fie luate în considerare.
Energie nucleara- energia internă a nucleelor atomice eliberată în timpul fisiunii nucleare sau al reacțiilor nucleare.
Reactorul de energie nucleară- un reactor nuclear, al cărui scop principal este generarea de energie.
Reactor nuclear- un reactor nuclear este un dispozitiv conceput pentru a organiza o reacție în lanț de fisiune autosusținută controlată - o secvență de reacții de fisiune nucleară, în care sunt eliberați neutroni liberi, care sunt necesari pentru fisiunea de noi nuclee.
Reactorul nuclear cu neutroni rapidi- Reactoarele diferă semnificativ în spectrul neutronilor - distribuția neutronilor după energie și, în consecință, în spectrul neutronilor absorbiți (care provoacă fisiunea nucleară). Dacă miezul nu conține nuclee ușoare special concepute pentru încetinirea ca urmare a împrăștierii elastice, atunci practic toată încetinirea se datorează împrăștierii inelastice a neutronilor de către nucleele grele și medii. în care majoritatea fisiunea este cauzată de neutroni cu energii de ordinul zecilor și sutelor de keV. Astfel de reactoare se numesc reactoare cu neutroni rapizi.
Reactorul nuclear pe neutroni termici- un reactor al cărui miez conține o asemenea cantitate de moderator - un material conceput pentru a reduce energia neutronilor fără absorbție vizibilă, încât majoritatea fisiunilor sunt cauzate de neutroni cu energii mai mici de 1 eV.
forte nucleare- forțe care rețin nucleonii (protoni și neutroni) în nucleu.
Forțele nucleare sunt rază scurtă . Ele apar doar la distanțe foarte mici între nucleoni din nucleu de ordinul a 10 -15 m. Lungimea (1,5 - 2,2) 10 -15 se numește gama de forţe nucleare .
Forțele nucleare descoperă incarca independenta , adică atracția dintre doi nucleoni este aceeași indiferent de starea de încărcare a nucleonilor - proton sau neutron.
Forţele nucleare au proprietatea de saturație , care se manifestă prin faptul că nucleonul din nucleu interacționează doar cu un număr limitat de nucleoni vecini cei mai apropiați de acesta. Saturația aproape completă a forțelor nucleare se realizează în particula α, care este o formațiune foarte stabilă.
forte nucleare depind de orientarea spinurilor nucleonilor care interacționează . Acest lucru este confirmat caracter diferitîmprăștierea neutronilor de către molecule de hidrogen orto- și abur.
forte nucleare nu sunt centrale .
- Traducere
În centrul fiecărui atom se află nucleul, o colecție minusculă de particule numite protoni și neutroni. În acest articol, vom studia natura protonilor și neutronilor, care constau din particule și mai mici - quarci, gluoni și antiquarci. (Gluonii, ca și fotonii, sunt propriile lor antiparticule.) Quarcii și gluonii, din câte știm, pot fi cu adevărat elementari (indivizibili și nu alcătuiți din ceva mai mic). Dar la ei mai târziu.
În mod surprinzător, protonii și neutronii au aproape aceeași masă - până la un procent:
- 0,93827 GeV/c 2 pentru un proton,
- 0,93957 GeV/c 2 pentru un neutron.
Pentru că sunt atât de similare și pentru că aceste particule alcătuiesc nucleele, protonii și neutronii sunt adesea denumiți nucleoni.
Protonii au fost identificați și descriși în jurul anului 1920 (deși au fost descoperiți mai devreme; nucleul unui atom de hidrogen este doar un singur proton), iar neutronii au fost găsiți undeva în 1933. Faptul că protonii și neutronii sunt atât de asemănători între ei a fost înțeles aproape imediat. Dar faptul că au o dimensiune măsurabilă comparabilă cu dimensiunea nucleului (de aproximativ 100.000 de ori mai mică decât un atom în rază) nu a fost cunoscut până în 1954. Că sunt formați din quarci, antiquarci și gluoni a fost înțeles treptat de la mijlocul anilor 1960 până la mijlocul anilor 1970. Până la sfârșitul anilor 70 și începutul anilor 80, înțelegerea noastră despre protoni, neutroni și din ce sunt alcătuiți s-a stabilit în mare măsură și a rămas neschimbată de atunci.
Nucleonii sunt mult mai greu de descris decât atomii sau nucleii. Acest lucru nu înseamnă că atomii sunt în principiu simpli, dar cel puțin se poate spune fără ezitare că un atom de heliu este format din doi electroni pe orbită în jurul unui nucleu minuscul de heliu; iar nucleul de heliu este un grup destul de simplu de doi neutroni și doi protoni. Dar cu nucleoni, totul nu este atât de simplu. Am scris deja în articolul „Ce este un proton și ce are înăuntru?” că atomul este ca un menuet elegant, iar nucleonul este ca o petrecere sălbatică.
Complexitatea protonului și neutronului pare să fie reală și nu provine din cunoștințe fizice incomplete. Avem ecuații folosite pentru a descrie quarci, antiquarci și gluoni și forțele nucleare puternice care se desfășoară între ei. Aceste ecuații se numesc QCD, de la „cromodinamică cuantică”. Precizia ecuațiilor poate fi testată în diferite moduri, inclusiv prin măsurarea numărului de particule care apar la Large Hadron Collider. Prin conectarea ecuațiilor QCD într-un computer și efectuând calcule privind proprietățile protonilor și neutronilor și ale altor particule similare (numite în mod colectiv „hadroni”), obținem predicții ale proprietăților acestor particule care aproximează bine observațiile făcute în lumea reală. . Prin urmare, avem motive să credem că ecuațiile QCD nu mint și că cunoștințele noastre despre proton și neutron se bazează pe ecuațiile corecte. Dar doar a avea ecuațiile potrivite nu este suficient, deoarece:
- Ecuațiile simple pot avea soluții foarte complexe,
- Uneori nu este posibil să descrii soluții complexe într-un mod simplu.
Din cauza complexității inerente a nucleonilor, tu, cititorul, va trebui să faci o alegere: cât de mult vrei să știi despre complexitatea descrisă? Indiferent cât de departe ai merge, cel mai probabil nu vei fi mulțumit: cu cât vei învăța mai mult, cu atât subiectul va deveni mai ușor de înțeles, dar răspunsul final va rămâne același - protonul și neutronul sunt foarte complexe. Vă pot oferi trei niveluri de înțelegere, cu detalii tot mai mari; te poți opri după orice nivel și trece la alte subiecte sau te poți scufunda până la ultimul. Fiecare nivel ridică întrebări la care pot răspunde parțial în următorul, dar răspunsurile noi ridică întrebări noi. Pe scurt - așa cum fac în discuțiile profesionale cu colegii și studenții avansați - vă pot trimite doar date din experimente reale, diverse argumente teoretice influente și simulări pe computer.
Primul nivel de înțelegere
Din ce sunt alcătuiți protonii și neutronii?Orez. 1: o versiune suprasimplificată a protonilor, constând din doar doi cuarci up și unul down, și neutroni, constând din doar doi cuarci down și unul up
Pentru a simplifica lucrurile, multe cărți, articole și site-uri web afirmă că protonii sunt formați din trei quarci (doi în sus și unul în jos) și desenează ceva ca o figură. 1. Neutronul este același, fiind format doar dintr-un cuarc sus și doi cuarci down. Această imagine simplă ilustrează ceea ce unii oameni de știință credeau, mai ales în anii 1960. Dar curând a devenit clar că acest punct de vedere a fost prea simplificat, până la punctul în care nu mai era corect.
Din surse mai sofisticate de informații, veți afla că protonii sunt formați din trei quarci (doi în sus și unul în jos) ținuți împreună de gluoni - și poate apărea o imagine similară cu Fig. 2, unde gluonii sunt atrași ca arcuri sau șiruri care dețin quarci. Neutronii sunt la fel, cu doar un cuarc up și doi cuarci down.
Orez. 2: ameliorare fig. 1 datorită accentului pus pe rol important forță nucleară puternică care ține quarcii în proton
Nu este un mod atât de rău de a descrie nucleonii, deoarece subliniază rolul important al forței nucleare puternice, care reține quarcii în proton în detrimentul gluonilor (în același mod în care fotonul, particula care formează lumina, este asociată cu forța electromagnetică). Dar asta este și confuz, deoarece nu explică cu adevărat ce sunt gluonii sau ce fac ei.
Există motive pentru a merge mai departe și a descrie lucrurile așa cum am făcut eu în: un proton este format din trei quarci (doi în sus și unul în jos), o grămadă de gluoni și un munte de perechi quark-antiquark (mai ales quarci sus și jos). , dar sunt și câteva ciudate) . Toate zboară înainte și înapoi cu viteze foarte mari (apropiindu-se de viteza luminii); acest întreg set este ținut împreună de forța nucleară puternică. Am arătat acest lucru în fig. 3. Neutronii sunt din nou la fel, dar cu unul sus și doi cuarci down; quarcul care și-a schimbat proprietatea este indicat printr-o săgeată.
Orez. 3: reprezentare mai realistă, deși încă nu ideală, a protonilor și neutronilor
Acești quarci, antiquarci și gluoni nu numai că se scurg înainte și înapoi, dar se ciocnesc unul cu celălalt și se transformă unul în celălalt prin procese precum anihilarea particulelor (în care un quarc și un antiquarc de același tip se transformă în doi gluoni sau viciu). invers) sau absorbția și emisia unui gluon (în care un cuarc și un gluon se pot ciocni și să producă un cuarc și doi gluoni, sau invers).
Ce au în comun aceste trei descrieri:
- Doi cuarci up și un cuarc down (plus altceva) pentru un proton.
- Un cuarc up și doi cuarci down (plus altceva) pentru un neutron.
- „Altceva” pentru neutroni este același cu „altceva” pentru protoni. Adică, nucleonii au „altceva” la fel.
- Mica diferență de masă dintre proton și neutron apare datorită diferenței dintre masele cuarcului down și al cuarcului up.
- pentru cuarcii up, sarcina electrică este 2/3 e (unde e este sarcina protonului, -e este sarcina electronului),
- quarcii down au o sarcină de -1/3e,
- gluonii au o sarcină de 0,
- orice quark și antiquarcul său corespunzător au o sarcină totală de 0 (de exemplu, quarcul anti-down are o sarcină de +1/3e, deci quarcul down și antiquarcul down vor avea o sarcină de –1/3 e +1/ 3 e = 0),
- sarcina electrică totală a protonului 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- sarcina electrică totală a neutronului este 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- cât „altceva” în interiorul nucleonului,
- ce cauta acolo
- de unde provin masa și energia masei (E = mc 2 , energia prezentă acolo chiar și atunci când particula este în repaus) nucleonului.
Orez. 1 spune că quarkurile, de fapt, reprezintă o treime dintr-un nucleon - la fel ca un proton sau un neutron reprezintă un sfert dintr-un nucleu de heliu sau 1/12 dintr-un nucleu de carbon. Dacă această imagine ar fi adevărată, quarkurile din nucleon s-ar mișca relativ lent (la viteze mult mai mici decât viteza luminii) cu forțe relativ slabe care acționează între ei (deși cu o forță puternică care îi ține pe loc). Masa cuarcului, în sus și în jos, ar fi atunci de ordinul a 0,3 GeV/c 2 , aproximativ o treime din masa unui proton. Dar aceasta este o imagine simplă, iar ideile pe care le impune sunt pur și simplu greșite.
Orez. 3. dă o idee complet diferită despre proton, ca un cazan de particule care se grăbesc prin el la viteze apropiate de viteza luminii. Aceste particule se ciocnesc unele de altele, iar în aceste ciocniri unele dintre ele se anihilează, iar altele sunt create în locul lor. Gluonii nu au masă, masele quarcilor superiori sunt de aproximativ 0,004 GeV/c 2 , iar masele quarcilor inferiori sunt de aproximativ 0,008 GeV/c 2 - de sute de ori mai puțin decât un proton. De unde provine energia de masă a protonului, întrebarea este complexă: o parte din ea provine din energia masei quarcilor și antiquarcilor, o parte provine din energia mișcării quarcilor, antiquarcilor și gluonilor și o parte (eventual pozitiv, posibil negativ) din energia stocată în interacțiunea nucleară puternică, ținând împreună quarcii, antiquarcii și gluonii.
Într-un fel, Fig. 2 încearcă să elimine diferența dintre fig. 1 și fig. 3. Simplifica orezul. 3, eliminând multe perechi quark-antiquark, care, în principiu, pot fi numite efemere, deoarece apar și dispar în mod constant și nu sunt necesare. Dar dă impresia că gluonii din nucleoni sunt o parte directă a forței nucleare puternice care deține protonii. Și nu explică de unde provine masa protonului.
La fig. 1 are un alt dezavantaj, pe lângă cadrele înguste ale protonului și neutronului. Nu explică unele dintre proprietățile altor hadroni, cum ar fi pionul și mezonul rho. Aceleași probleme există și în Fig. 2.
Aceste restricții au dus la faptul că le ofer studenților mei și pe site-ul meu o poză din fig. 3. Dar vreau să vă avertizez că are și multe limitări, pe care le voi lua în considerare mai târziu.
Trebuie remarcat faptul că complexitatea extremă a structurii, implicată în Fig. 3 este de așteptat de la un obiect ținut împreună de o forță atât de puternică precum forța nucleară puternică. Și încă ceva: trei quarci (doi în sus și unul în jos pentru un proton) care nu fac parte dintr-un grup de perechi quark-antiquarc sunt adesea numiți „cuarcuri valență”, iar perechile de quarc-antiquarci sunt numite „mare de perechi de quarci.” Un astfel de limbaj este convenabil din punct de vedere tehnic în multe cazuri. Dar dă impresia falsă că, dacă ai putea să te uiți în interiorul protonului și să te uiți la un anumit quarc, ai putea spune imediat dacă a fost parte a mării sau o valență. Acest lucru nu se poate face, pur și simplu nu există o astfel de modalitate.
Masa protonilor si masa neutronilor
Deoarece masele protonului și neutronului sunt atât de asemănătoare și deoarece protonul și neutronul diferă doar prin înlocuirea unui cuarc up cu un cuarc down, se pare că masele lor sunt furnizate în același mod, provin din aceeași sursă. , iar diferența lor constă în diferența ușoară dintre quarcii sus și jos. Dar cele trei figuri de mai sus arată că există trei vederi foarte diferite asupra originii masei protonilor.Orez. 1 spune că quarcii sus și jos reprezintă pur și simplu 1/3 din masa protonului și neutronului: aproximativ 0,313 GeV/c 2 , sau din cauza energiei necesare pentru a menține quarcii în proton. Și deoarece diferența dintre masele unui proton și a unui neutron este o fracțiune de procent, diferența dintre masele unui cuarc sus și jos trebuie să fie și o fracțiune de procent.
Orez. 2 este mai puțin clar. Ce fracție din masa unui proton există datorită gluonilor? Dar, în principiu, din figură rezultă că cea mai mare parte a masei protonului provine încă din masa quarcilor, ca în Fig. unu.
Orez. 3 reflectă o abordare mai subtilă a modului în care apare de fapt masa protonului (după cum putem verifica direct prin calculele computerizate ale protonului, și nu direct folosind alte metode matematice). Este foarte diferit de ideile prezentate în fig. 1 și 2 și se dovedește a nu fi atât de simplu.
Pentru a înțelege cum funcționează acest lucru, trebuie să ne gândim nu în termenii masei m a protonului, ci în termenii energiei sale de masă E = mc 2 , energia asociată cu masa. Conceptual intrebare corecta nu va fi „de unde a venit masa protonilor m”, după care puteți calcula E înmulțind m cu c 2 , ci invers: „de unde vine energia masei protonilor E”, după care puteți calculați masa m împărțind E la c 2 .
Este util să se clasifice contribuțiile la energia masei protonilor în trei grupe:
A) Energia de masă (energia de repaus) a quarcilor și antiquarcilor conținute în ea (gluoni, particule fără masă, nu aduc nicio contribuție).
B) Energia de mișcare (energia cinetică) a quarcilor, antiquarcilor și gluonilor.
C) Energia de interacțiune (energia de legare sau energia potențială) stocată în interacțiunea nucleară puternică (mai precis, în câmpurile gluoni) care ține protonul.
Orez. 3 spune că particulele din interiorul protonului se mișcă cu o viteză mare și că acesta este plin de gluoni fără masă, deci contribuția lui B) este mai mare decât A). De obicei, în majoritatea sisteme fizice B) și C) sunt comparabile, în timp ce C) este adesea negativă. Deci, energia de masă a protonului (și neutronului) este în mare parte derivată din combinația dintre B) și C), cu A) contribuind cu o mică fracție. Prin urmare, masele protonului și neutronului apar în principal nu din cauza maselor particulelor conținute în ele, ci din cauza energiilor de mișcare a acestor particule și a energiei interacțiunii lor asociată cu câmpurile gluoni care generează forțele care țin. protonul. În majoritatea celorlalte sisteme cu care suntem familiarizați, echilibrul energiilor este distribuit diferit. De exemplu, în atomi și în sistemul solar, A) domină, în timp ce B) și C) sunt obținute mult mai puțin și sunt comparabile ca mărime.
Rezumând, subliniem că:
- Orez. 1 sugerează că energia de masă a protonului provine din contribuția A).
- Orez. 2 sugerează că ambele contribuții A) și C) sunt importante, iar B) are o contribuție mică.
- Orez. 3 sugerează că B) și C) sunt importante, în timp ce contribuția lui A) este neglijabilă.
Dacă fig. 3 nu minte, masele quarcului și antiquarcului sunt foarte mici. Cum sunt de fapt? Masa cuarcului de top (precum și a antiquarcului) nu depășește 0,005 GeV/c 2 , ceea ce este mult mai mic decât 0,313 GeV/c 2 , ceea ce rezultă din Fig. 1. (Masa cuarcului up este greu de măsurat, iar această valoare variază din cauza efectelor subtile, deci poate fi mult mai mică de 0,005 GeV/c2). Masa cuarcului inferior este cu aproximativ 0,004 GeV/c 2 mai mare decât masa celui de sus. Aceasta înseamnă că masa oricărui cuarc sau antiquarc nu depășește un procent din masa unui proton.
Rețineți că aceasta înseamnă (spre deosebire de Fig. 1) că raportul dintre masa cuarcului down și cuarcul up nu se apropie de unitate! Masa cuarcului down este de cel puțin două ori mai mare decât a cuarcului up. Motivul pentru care masele neutronului și protonului sunt atât de asemănătoare nu este că masele cuarcilor sus și jos sunt similare, ci că masele cuarcilor sus și jos sunt foarte mici - iar diferența dintre ele este mică, raportat la masele protonului și neutronului. Amintiți-vă că pentru a converti un proton într-un neutron, trebuie pur și simplu să înlocuiți unul dintre cuarcii lui up cu un cuarc down (Figura 3). Această modificare este suficientă pentru a face neutronul puțin mai greu decât protonul și pentru a-și schimba sarcina de la +e la 0.
Apropo, faptul că diferite particule din interiorul unui proton se ciocnesc între ele și apar și dispar în mod constant, nu afectează lucrurile despre care discutăm - energia este conservată în orice coliziune. Energia de masă și energia de mișcare a quarcilor și gluonilor se pot modifica, precum și energia interacțiunii lor, dar energia totală a protonului nu se modifică, deși totul în interiorul acestuia se schimbă constant. Deci masa unui proton rămâne constantă, în ciuda vortexului său intern.
În acest moment, puteți opri și absorbi informațiile primite. Uimitor! Practic toată masa conținută în materia obișnuită provine din masa nucleonilor din atomi. Și cea mai mare parte din această masă provine din haosul inerent protonului și neutronului - din energia de mișcare a quarcilor, gluonilor și antiquarcilor în nucleoni și din energia muncii interacțiunilor nucleare puternice care țin nucleonul în întreaga sa stare. Da: planeta noastră, corpurile noastre, respirația noastră sunt rezultatul unui pandemoniu atât de liniștit și, până de curând, de neimaginat.
Toate corpurile fizice ale naturii sunt construite dintr-un tip de materie numită materie. Substanțele sunt împărțite în două grupe principale - substanțe simple și complexe.
Substanțele compuse sunt acele substanțe care pot fi descompuse în alte substanțe, mai simple, prin reacții chimice. Spre deosebire de complex substanțe simple se numesc cele care nu pot fi descompuse chimic în substanţe chiar mai simple.
Un exemplu de substanță complexă este apa, care poate fi descompusă printr-o reacție chimică în alte două substanțe mai simple - hidrogen și oxigen. În ceea ce privește ultimele două, acestea nu mai pot fi descompuse chimic în substanțe mai simple și, prin urmare, sunt substanțe simple, sau, cu alte cuvinte, elemente chimice.
În prima jumătate a secolului al XIX-lea, în știință exista o presupunere că elementele chimice sunt substanțe imuabile care nu au o relație comună între ele. Cu toate acestea, omul de știință rus D. I. Mendeleev (1834 - 1907) a dezvăluit pentru prima dată în 1869 relația elementelor chimice, arătând că caracteristica calitativă a fiecăruia dintre ele depinde de caracteristica sa cantitativă - greutatea atomică.
Studiind proprietățile elementelor chimice, D. I. Mendeleev a observat că proprietățile lor se repetă periodic în funcție de greutatea lor atomică. El a afișat această periodicitate sub forma unui tabel, care a fost inclus în știință sub numele de „Tabelul periodic al elementelor lui Mendeleev”.
Mai jos este tabelul periodic modern al elementelor chimice ale lui Mendeleev.
atomi
Conform conceptelor moderne ale științei, fiecare element chimic constă dintr-un set de cele mai mici particule materiale (materiale) numite atomi.
Un atom este cea mai mică fracțiune a unui element chimic care nu mai poate fi descompus chimic în alte particule de material, mai mici și mai simple.
Atomii elementelor chimice de natură diferită diferă unul de celălalt prin proprietățile lor fizico-chimice, structură, dimensiune, masă, greutate atomică, energie proprie și alte proprietăți. De exemplu, un atom de hidrogen diferă puternic în proprietățile și structura sa de un atom de oxigen, iar acesta din urmă de un atom de uraniu etc.
S-a stabilit că atomii elementelor chimice au dimensiuni extrem de mici. Dacă presupunem în mod convențional că atomii au formă sferică, atunci diametrele lor ar trebui să fie egale cu o sută de milionimi de centimetru. De exemplu, diametrul atomului de hidrogen - cel mai mic atom din natură - este egal cu o sută de milioane de centimetru (10 -8 cm), iar diametrele celor mai mari atomi, cum ar fi atomul de uraniu, nu depășesc trei sute de milionimi de centimetru (3 10 -8 cm). În consecință, un atom de hidrogen este de atâtea ori mai mic decât o minge cu raza de un centimetru, cu cât aceasta din urmă este mai mică decât globul.
În conformitate cu dimensiunea foarte mică a atomilor, masa lor este, de asemenea, foarte mică. De exemplu, masa unui atom de hidrogen este m = 1,67 10 -24 g. Aceasta înseamnă că un gram de hidrogen conține aproximativ 6 10 23 atomi.
1/16 din greutatea unui atom de oxigen este luată ca unitate convențională de măsură a greutăților atomice ale elementelor chimice.În conformitate cu această greutate atomică a unui element chimic, se numește un număr abstract, care arată de câte ori greutatea lui un anumit element chimic este mai mare de 1/16 din greutatea unui atom de oxigen.
LA tabelul periodic elemente ale lui D. I. Mendeleev, sunt date greutățile atomice ale tuturor elementelor chimice (vezi numărul plasat sub denumirea elementului). Din acest tabel, vedem că cel mai ușor atom este atomul de hidrogen, care are o greutate atomică de 1,008. Greutatea atomică a carbonului este 12, oxigenul este 16 și așa mai departe.
În ceea ce privește elementele chimice mai grele, greutatea lor atomică depășește greutatea atomică a hidrogenului de peste două sute de ori. Deci, vertul atomic al mercurului este 200,6, radiu - 226 etc. Cu cât este mai mare ordinea numărului ocupat de un element chimic în sistemul periodic de elemente, cu atât greutatea atomică este mai mare.
Majoritatea greutăților atomice ale elementelor chimice sunt exprimate ca numere fracționale. Într-o anumită măsură, acest lucru se explică prin faptul că astfel de elemente chimice constau dintr-un set de câte tipuri de atomi care au greutăți diferite ale atomilor, dar aceleași proprietăți chimice.
Elementele chimice care ocupă același număr în sistemul periodic de elemente și, prin urmare, au aceleași proprietăți chimice, dar greutăți atomice diferite, se numesc izotopi.
Izotopii se găsesc în majoritatea elementelor chimice, are doi izotopi, calciu - patru, zinc - cinci, staniu - unsprezece etc. Mulți izotopi sunt obținuți prin artă, unii dintre ei fiind de mare importanță practică.
Particule elementare de materie
Multă vreme s-a crezut că atomii elementelor chimice sunt limita divizibilității materiei, adică parcă „cărămizile” elementare ale universului. stiinta moderna a respins această ipoteză, stabilind că atomul oricărui element chimic este o colecție de particule materiale chiar mai mici decât atomul însuși.
Conform teoriei electronice a structurii materiei, un atom al oricărui element chimic este un sistem format dintr-un nucleu central în jurul căruia se învârt particule materiale „elementare” numite electroni. Nucleele atomilor, conform opiniilor general acceptate, constau dintr-un set de particule materiale „elementare” - protoni și neutroni.
Pentru a înțelege structura atomilor și procesele fizico-chimice din acestea, este necesar să vă familiarizați cel puțin pe scurt cu principalele caracteristici ale particulelor elementare care alcătuiesc atomii.
Hotărât că Un electron este o particulă materială care are cea mai mică sarcină electrică negativă observată în natură..
Dacă presupunem condiționat că electronul ca particulă are o formă sferică, atunci diametrul electronului ar trebui să fie egal cu 4 · 10 -13 cm, adică este de zeci de mii de ori mai mic decât diametrul oricărui atom.
Un electron, ca orice altă particulă materială, are masă. „Masa în repaus” a unui electron, adică masa pe care o are în stare de repaus relativ, este egală cu m o \u003d 9,1 10 -28 g.
„Masa în repaus” excepțional de mică a electronului indică faptul că proprietățile inerte ale electronului sunt extrem de slabe, ceea ce înseamnă că electronul sub influența unei forțe electrice variabile poate oscila în spațiu cu o frecvență de multe miliarde de perioade pe secundă.
Masa unui electron este atât de mică încât ar fi nevoie de 1027 de unități pentru a obține un gram de electroni. A avea măcar o idee fizică despre asta este colosal. numere mari Să luăm un exemplu. Dacă un gram de electroni ar putea fi plasați în linie dreaptă unul lângă celălalt, ar forma un lanț lung de patru miliarde de kilometri.
Masa unui electron, ca orice altă microparticulă reală, depinde de viteza de mișcare a acestuia. Un electron, fiind în stare de repaus relativ, are o „masă în repaus”, care este de natură mecanică, ca masa oricărui corp fizic. În ceea ce privește „masa de mișcare” a electronului, care crește odată cu creșterea vitezei de mișcare a acestuia, este de origine electromagnetică. Se datorează prezenței unui electron în mișcare câmp electromagnetic ca un fel de materie cu masă și energie electromagnetică.
Cu cât electronul se mișcă mai repede, cu atât mai mult se manifestă proprietățile inerțiale ale câmpului său electromagnetic, cu atât este mai mare, prin urmare, masa acestuia din urmă și, în consecință, energia sa electromagnetică. Întrucât electronul cu câmpul său electromagnetic constituie un singur sistem material, conectat organic, este firesc ca masa mișcării câmpului electromagnetic al electronului să poată fi atribuită direct electronului însuși.
Un electron, pe lângă proprietățile unei particule, mai are proprietățile undei. S-a stabilit prin experiență că fluxul de electroni, ca și fluxul luminii, se propagă sub forma unei mișcări de tip val. Natura mișcării ondulatorii a fluxului de electroni în spațiu este confirmată de fenomenele de interferență și difracție a undelor electronice.
Interferența electronică este fenomenul de suprapunere a testamentelor electronice unele pe altele, și difracția electronilor- acesta este fenomenul de rotunjire a marginilor unei fante înguste de către undele de electroni prin care trece fluxul de electroni. Prin urmare, un electron nu este doar o particulă, ci o „undă de particule”, a cărei lungime depinde de masa și viteza electronului.
S-a stabilit că electronul, pe lângă mișcarea sa de translație, funcționează și mișcare de rotațieîn jurul axei sale. Acest tip de mișcare a electronilor se numește „spin” (din cuvântul englez „spin” - spindle). Ca urmare a unei astfel de mișcări, electronul, pe lângă proprietățile electrice datorate sarcinii electrice, capătă și proprietăți magnetice, asemănând cu un magnet elementar în acest sens.
Un proton este o particulă materială care are o sarcină electrică pozitivă egală în valoare absolută cu sarcina electrică a unui electron.
Masa protonului este de 1,67 · zece-24 g, adică este de aproximativ 1840 de ori mai mare decât „masa în repaus” a electronului.
Spre deosebire de electron și proton, Neutronul nu are o sarcină electrică, adică este o particulă „elementară” neutră din punct de vedere electric. Masa unui neutron este practic egală cu masa unui proton.
Electronii, protonii și neutronii, aflându-se în compoziția atomilor, interacționează între ei. În special, electronii și protonii sunt atrași unul de celălalt ca particule cu sarcini electrice opuse. În același timp, un electron dintr-un electron și un proton dintr-un proton sunt respinși ca particule cu aceleași sarcini electrice.
Interacțiunea tuturor acestor particule încărcate electric are loc prin câmpurile lor electrice. Aceste câmpuri sunt un tip special de materie, constând dintr-un set de particule de material elementar numite fotoni. Fiecare foton are o cantitate inerentă strict definită de energie (cuantum de energie).
Interacțiunea particulelor de material încărcate electric se realizează prin schimbul lor între ele prin fotoni. Forța de interacțiune dintre particulele încărcate electric este de obicei numită forta electrica.
Neutronii și protonii din nucleele atomilor interacționează, de asemenea, între ei. Totuși, această interacțiune între ele nu se mai realizează printr-un câmp electric, deoarece neutronul este o particulă de materie neutră din punct de vedere electric, ci prin așa-numitul câmp nuclear.
Acest câmp este, de asemenea, un tip special de materie, constând dintr-un set de particule de material elementar numite mezoni. Interacțiunea neutronilor și protonilor se realizează prin schimbul de mezoni între ei. Forța de interacțiune a neutronilor și protonilor unul cu altul se numește forță nucleară.
S-a stabilit că forțele nucleare acționează în nucleele atomilor la distanțe extrem de mici - aproximativ 10 - 13 cm.Forțele nucleare sunt mult mai mari decât forțele electrice ale respingerii reciproce a protonilor din nucleul unui atom. Acest lucru duce la faptul că sunt capabili nu numai să depășească forțele de respingere reciprocă a protonilor din interiorul nucleelor atomilor, ci și să creeze sisteme foarte puternice de nuclee din totalitatea protonilor și neutronilor.
Stabilitatea nucleului fiecărui atom depinde de raportul dintre două forțe conflictuale - nucleare (atracția reciprocă a protonilor și neutronilor) și electrice (repulsarea reciprocă a protonilor).
Forțele nucleare puternice care acționează în nucleele atomilor contribuie la transformarea neutronilor și a protonilor unul în altul. Aceste interconversii de neutroni și protoni sunt efectuate ca rezultat al eliberării sau absorbției de particule elementare mai ușoare, cum ar fi mezonii.
Particulele pe care le-am considerat sunt numite elementare deoarece nu constau dintr-o colecție de alte particule de materie mai simple. Dar, în același timp, nu trebuie să uităm că sunt capabili să se transforme unul în celălalt, apărând unul în detrimentul celuilalt. Astfel, aceste particule sunt niște formațiuni complexe, adică elementaritatea lor este condiționată.
Structura chimică a atomilor
Cel mai simplu atom din structura sa este atomul de hidrogen. Este format dintr-un set de doar două particule elementare - un proton și un electron. Protonul din sistemul atomului de hidrogen joacă rolul nucleului central, în jurul căruia electronul se rotește pe o anumită orbită. Pe fig. 1 prezintă schematic un model al unui atom de hidrogen.
Orez. 1. Schema structurii atomului de hidrogen
Acest model este doar o aproximare aproximativă a realității. Cert este că electronul ca „undă-particulă” nu are un volum puternic delimitat de mediul extern. Și asta înseamnă că nu ar trebui să vorbim despre o orbită liniară exactă a electronului, ci despre un fel de nor de electroni. În acest caz, electronul ocupă cel mai adesea o anumită linie de mijloc a norului, care este una dintre posibilele sale orbite în atom.
Trebuie spus că orbita electronului în sine nu este strict neschimbată și nemișcată în atom - de asemenea, datorită modificării masei electronului, efectuează o mișcare de rotație. În consecință, mișcarea unui electron într-un atom este relativ complexă. Deoarece nucleul atomului de hidrogen (proton) și electronul care se rotește în jurul lui au sarcini electrice opuse, se atrag reciproc.
În același timp, energia electronului, rotindu-se în jurul nucleului atomului, dezvoltă o forță centrifugă care tinde să-l îndepărteze din nucleu. Prin urmare, forta electrica atracția reciprocă a nucleului unui atom și al unui electron și forța centrifugă care acţionează asupra unui electron sunt forţe contradictorii.
La echilibru, electronul lor ocupă o poziție relativ stabilă pe o anumită orbită a atomului. Deoarece masa unui electron este foarte mică, pentru a echilibra forța de atracție către nucleul unui atom, acesta trebuie să se rotească cu o viteză enormă, egală cu aproximativ 6 x 10 15 rotații pe secundă. Aceasta înseamnă că un electron din sistemul atomului de hidrogen, ca orice alt atom, se mișcă de-a lungul orbitei sale cu o viteză liniară care depășește o mie de kilometri pe secundă.
În condiții normale, un electron se rotește într-un atom al genului de-a lungul orbitei cea mai apropiată de nucleu. În același timp, are cantitatea minimă posibilă de energie. Dacă, dintr-un motiv sau altul, de exemplu, sub influența altor particule materiale care au invadat sistemul atomic, electronul se deplasează pe o orbită mai îndepărtată de atom, atunci va avea deja o cantitate ceva mai mare de energie.
Cu toate acestea, electronul rămâne pe această nouă orbită pentru un timp neglijabil, după care se rotește din nou spre orbita cea mai apropiată de nucleul atomului. Cu această mișcare, el eliberează un exces al energiei sale sub forma unui cuantum de radiație electromagnetică - energie radianta(Fig. 2).
Orez. 2. Un electron, atunci când se deplasează de pe o orbită îndepărtată pe una mai aproape de nucleul unui atom, emite o cantitate de energie radiantă
Cu cât electronul primește mai multă energie din exterior, cu atât se îndepărtează mai mult de nucleul atomului pe orbită și cu atât radiază mai multă energie electromagnetică atunci când se rotește spre orbita cea mai apropiată de nucleu.
Măsurând cantitatea de energie emisă de un electron în timpul tranziției de la diferite orbite la cea mai apropiată de nucleul atomic, s-a putut stabili că un electron în sistemul atomului de hidrogen, precum și în sistemul oricărui alt atom, nu poate merge pe nicio orbită arbitrară, pe una strict definită în conformitate cu acea energie pe care o primește în urma acțiunii forta externa. Orbitele pe care le poate ocupa un electron într-un atom se numesc orbite permise.
Deoarece sarcina pozitivă a nucleului atomului de hidrogen (sarcina protonului) și sarcina negativă a electronului sunt egale numeric, sarcina lor totală este zero. Aceasta înseamnă că atomul de hidrogen, fiind în stare normală, este o particulă neutră din punct de vedere electric.
Acest lucru este valabil pentru atomii tuturor elementelor chimice: un atom al oricărui element chimic în starea sa normală este o particulă neutră din punct de vedere electric datorită egalității numerice a sarcinilor sale pozitive și negative.
Deoarece o singură particulă „elementară”, protonul, este inclusă în nucleul atomului de hidrogen, așa-numitul număr de masă al acestui nucleu este egal cu unu. Numărul de masă al nucleului unui atom al oricărui element chimic este numărul total de protoni și neutroni care formează acest nucleu.
Hidrogenul natural constă în principal dintr-o colecție de atomi cu un număr de masă egal cu unu. Cu toate acestea, conține și un alt fel de atomi de hidrogen, cu un număr de masă egal cu doi. Nucleele atomice ale acestui hidrogen greu, numite deuteroni, constau din două particule - un proton și un neutron. Acest izotop al hidrogenului se numește deuteriu.
Hidrogenul natural conține foarte puțin deuteriu. Pentru fiecare șase mii de atomi de hidrogen ușor (numărul de masă este unu), există doar un atom de deuteriu (hidrogen greu). Există un alt izotop al hidrogenului - hidrogenul supergreu numit tritiu. În nucleele atomului acestui izotop de hidrogen, există trei particule: un proton și doi neutroni, legați unul de celălalt prin forțe nucleare. Numărul de masă al nucleului atomului de tritiu este de trei, adică atomul de tritiu este de trei ori mai greu decât atomul de hidrogen ușor.
Deși atomii izotopilor de hidrogen au mase diferite, ei au totuși aceleași proprietăți chimice. De exemplu, hidrogenul ușor, care intră în interacțiune chimică cu oxigenul, se formează cu el substanță complexă- apa. În mod similar, izotopul hidrogenului - deuteriu, atunci când este combinat cu oxigen, formează apă, care, spre deosebire de apa obișnuită, se numește apă grea. Apa grea este de mare folos în producerea energiei nucleare (atomice).
În consecință, proprietățile chimice ale atomilor nu depind de masa nucleelor lor, ci doar de structura învelișului electronic al atomului. Deoarece atomii de hidrogen ușor, deuteriu și tritiu au acelasi numar electroni (câte unul pentru fiecare atom), acești izotopi au aceleași proprietăți chimice.
Nu este o coincidență faptul că elementul chimic hidrogen ocupă primul număr din sistemul periodic de elemente. Faptul este că între numărul oricărui element din sistemul periodic de elemente și valoarea încărcăturii nucleului unui atom al acestui element există o anumită legătură. Poate fi formulat astfel: numărul de serie al oricărui element chimic din sistemul periodic de elemente este numeric egal cu sarcina pozitivă a nucleului acestui element și, în consecință, cu numărul de electroni care se rotesc în jurul acestuia.
Deoarece hidrogenul ocupă primul număr din sistemul periodic de elemente, aceasta înseamnă că sarcina pozitivă a nucleului atomului său este egală cu unu și că un electron se rotește în jurul nucleului.
Elementul chimic heliu ocupă al doilea număr în sistemul periodic de elemente. Aceasta înseamnă că are o sarcină electrică pozitivă a nucleului, egală cu două unități, adică ar trebui să existe doi protoni în nucleul său și doi electrozi în învelișul de electroni a atomului.
Heliul natural este format din doi izotopi - heliu greu și heliu ușor. Numărul de masă al heliului greu este de patru. Aceasta înseamnă că compoziția nucleului unui atom greu de heliu, pe lângă cei doi protoni de mai sus, trebuie să includă încă doi neutroni. În ceea ce privește heliul ușor, numărul său de masă este egal cu trei, adică, pe lângă doi protoni, nucleul său trebuie să includă încă un neutron.
S-a stabilit că în heliul natural numărul de atomi de heliu ușor este de aproximativ o milioneme din atomii de geniu grei. Pe fig. 3 prezintă un model schematic al unui atom de heliu.
Orez. 3. Schema structurii atomului de heliu
O complicație ulterioară a structurii atomilor elementelor chimice apare din cauza creșterii numărului de protoni și neutroni din nucleele acestor atomi și, în același timp, din cauza creșterii numărului de electroni care se rotesc în jurul nucleelor (Fig. . 4). A profita sistem periodic elementelor, este ușor de determinat numărul de electroni, protoni și neutroni care formează diferiți atomi.
Orez. 4. Scheme ale structurii nucleelor atomilor: 1 - heliu, 2 - carbon, 3 - oxigen
Numărul de serie al unui element chimic este egal cu numărul de protoni din nucleul unui atom și, în același timp, cu numărul de electroni care se rotesc în jurul nucleului. În ceea ce privește greutatea atomică, aceasta este aproximativ egală cu numărul de masă al atomului, adică numărul de protoni și neutroni luați împreună în nucleu. Prin urmare, scăzând din greutatea atomică a unui element un număr egal cu numărul ordinal al elementului, se poate determina câți neutroni sunt conținuti într-un nucleu dat.
S-a stabilit că nucleele elementelor chimice ușoare, care conțin în mod egal protoni și neutroni, sunt foarte puternice, deoarece forțele nucleare din ele sunt relativ mari. De exemplu, nucleul unui atom greu de heliu este excepțional de puternic, deoarece este compus din doi protoni și doi neutroni legați împreună de forțe nucleare puternice.
Nucleele atomilor elementelor chimice mai grele conțin deja în compoziția lor un număr inegal de protoni și neutroni, prin urmare legătura lor în nucleu este mai slabă decât în nucleele elementelor chimice ușoare. Nucleele acestor elemente pot fi scindate relativ ușor atunci când sunt bombardate cu „proiectile” atomice (neutroni, nuclee ale atomului de heliu etc.).
În ceea ce privește elementele chimice cele mai grele, în special cele radioactive, nucleele lor se disting printr-o rezistență atât de scăzută încât se descompun spontan în părțile lor componente. De exemplu, atomii elementului radioactiv radiu, constând dintr-o combinație de 88 de protoni și 138 de neutroni, se descompun spontan, transformându-se în atomi ai elementului radioactiv radon. Atomii acestuia din urmă, la rândul lor, se descompun în părți constitutive, trecând în atomi ai altor elemente.
Familiarizat pe scurt cu părțile constitutive nucleele atomilor elementelor chimice, luați în considerare structura învelișurilor de electroni ale atomilor. După cum se știe, electronii se pot învârti în jurul nucleelor atomilor doar pe orbite strict definite. Mai mult, ei sunt atât de grupați în învelișul de electroni a fiecărui atom încât straturile individuale de electroni pot fi distinse.
Fiecare strat poate conține un număr de electroni, fără a depăși un număr strict definit. Deci, de exemplu, în primul strat de electroni cel mai apropiat de nucleul unui atom, pot exista maximum doi electroni, în al doilea - nu mai mult de opt electroni etc.
Atomii în care straturile de electroni exterioare sunt complet umplute au cea mai stabilă înveliș de electroni. Aceasta înseamnă că acest atom își ține ferm toți electronii și nu trebuie să primească o cantitate suplimentară din ei din exterior. De exemplu, un atom de heliu are doi electroni care umplu complet primul strat de electroni, iar un atom de neon are zece electroni, dintre care primii doi umplu complet primul strat de electroni, iar restul - al doilea (Fig. 5).
Orez. 5. Schema structurii atomului de neon
În consecință, atomii de heliu și neon au învelișuri de electroni destul de stabile, nu caută să le modifice cantitativ în niciun fel. Astfel de elemente sunt inerte din punct de vedere chimic, adică nu intră în interacțiune chimică cu alte elemente.
Cu toate acestea, majoritatea elementelor chimice au atomi în care straturile de electroni exterioare nu sunt complet umplute cu electroni. De exemplu, un atom de potasiu are nouăsprezece electroni, dintre care optsprezece umplu complet primele trei straturi, iar al nouăsprezecelea electron este singur în următorul strat de electroni neumplut. Umplerea slabă a celui de-al patrulea strat de electroni cu electroni duce la faptul că nucleul atomului deține foarte slab cel mai exterior - al nouăsprezecelea electron și, prin urmare, acesta din urmă poate fi îndepărtat cu ușurință din atom. .
Sau, de exemplu, un atom de oxigen are opt electroni, dintre care doi umplu complet primul strat, iar restul de șase sunt localizați în al doilea strat. Astfel, pentru a finaliza construcția celui de-al doilea strat de electroni din atomul de oxigen, îi lipsesc doar doi electroni. Prin urmare, atomul de oxigen nu numai că își menține ferm cei șase electroni în al doilea strat, dar are și capacitatea de a atrage în sine doi electroni lipsă pentru a umple al doilea strat de electroni. El realizează acest lucru prin component chimic cu atomi de astfel de elemente în care electronii exteriori sunt slab legați de nucleele lor.
Elementele chimice ai căror atomi nu au straturi de electroni exterioare complet umplute cu electroni sunt, de regulă, active din punct de vedere chimic, adică intră ușor în interacțiune chimică.
Deci, electronii din atomii elementelor chimice sunt aranjați într-o ordine strict definită, iar orice modificare a aranjamentului lor spațial sau a numărului în învelișul de electroni a unui atom duce la o modificare a proprietăților fizico-chimice ale acestuia din urmă.
Egalitatea numărului de electroni și protoni din sistemul unui atom este motivul pentru care sarcina sa electrică totală este egală cu zero. Dacă egalitatea numărului de electroni și protoni din sistemul unui atom este încălcată, atunci atomul devine un sistem încărcat electric.
Un atom în sistemul căruia echilibrul opusului sarcini electrice datorită faptului că și-a pierdut o parte din electroni sau, dimpotrivă, a dobândit un număr în exces, se numește ion.
În schimb, dacă un atom dobândește un număr suplimentar de electroni, atunci devine un ion negativ. De exemplu, un atom de clor, după ce a primit un electron în plus, se transformă într-un ion de clor negativ încărcat individual Cl - . Atomul de oxigen, care a primit doi electroni în plus, se transformă într-un ion negativ de oxigen O încărcat dublu etc.
Un atom care s-a transformat într-un ion devine un sistem încărcat electric în raport cu mediul extern. Și asta înseamnă că atomul a început să aibă un câmp electric, împreună cu care constituie un singur sistem material și prin acest câmp realizează interacțiune electrică cu alte particule de materie încărcate electric - ioni, electroni, nuclee atomice încărcate pozitiv etc.
Capacitatea ionilor diferiți de a se atrage reciproc este motivul pentru care sunt combinați chimic, formând particule mai complexe de materie - molecule.
În concluzie, trebuie menționat că dimensiunile unui atom sunt foarte mari în comparație cu dimensiunile acelor particule materiale din care sunt compuse. Nucleul celui mai complex atom, împreună cu toți electronii, ocupă o miliardime din volumul atomului. Un calcul simplu arată că dacă un metru cub de platină ar putea fi comprimat atât de strâns încât spațiile intra-atomice și inter-atomice ar dispărea, atunci s-ar obține un volum egal cu aproximativ un milimetru cub.
