Genom att studera materiens struktur lärde sig fysikerna vad atomer är gjorda av, kom till atomkärnan och delade upp den i protoner och neutroner. Alla dessa steg gavs ganska lätt - det var bara nödvändigt att sprida partiklarna till den erforderliga energin, trycka dem mot varandra och sedan föll de isär i sina beståndsdelar.
Men med protoner och neutroner har det här tricket inte fungerat. Även om de är sammansatta partiklar kan de inte "brytas isär" i någon ens den mest våldsamma kollision. Därför tog det fysiker decennier att komma på olika sätt att se inuti protonen, för att se dess struktur och form. Idag är studiet av protonens struktur ett av de mest aktiva områdena inom elementarpartikelfysiken.
Naturen ger tips
Historien om att studera strukturen hos protoner och neutroner går tillbaka till 1930-talet. När, förutom protoner, neutroner upptäcktes (1932), genom att mäta deras massa, blev fysiker förvånade över att finna att det är mycket nära en protons massa. Dessutom visade det sig att protoner och neutroner "känner" kärnväxelverkan på exakt samma sätt. Så mycket samma att ur kärnkraftssynpunkt kan protonen och neutronen betraktas som om två manifestationer av samma partikel - nukleonen: protonen är en elektriskt laddad nukleon och neutronen är en neutral nukleon. Byt ut protoner mot neutroner och kärnkrafter kommer (nästan) inte att märka något.
Fysiker uttrycker denna egenskap hos naturen som symmetri - kärnväxelverkan är symmetrisk med avseende på ersättningen av protoner med neutroner, precis som en fjäril är symmetrisk med avseende på ersättningen av vänster mot höger. Denna symmetri, förutom att spela en viktig roll i kärnfysiken, var faktiskt den första antydan om att nukleoner har en intressant inre struktur. Det är sant att fysiker på 1930-talet inte insåg denna antydan.
Förståelsen kom senare. Det började med det faktum att forskare på 1940- och 50-talen, i reaktionerna av protonkollisioner med kärnorna i olika element, blev förvånade över att upptäcka fler och fler nya partiklar. Inte protoner, inte neutroner, pi-mesoner som inte upptäckts vid den tiden, som håller nukleoner i kärnor, utan några helt nya partiklar. Trots all sin mångfald hade dessa nya partiklar två gemensamma egenskaper. För det första deltog de, precis som nukleoner, mycket villigt i kärnväxelverkan - nu kallas sådana partiklar hadroner. Och för det andra var de extremt instabila. De mest instabila av dem förföll till andra partiklar på bara en biljondels nanosekund och hann inte ens flyga med storleken på en atomkärna!
Under lång tid var "zoo" av hadroner en komplett hodgepodge. I slutet av 1950-talet hade fysiker redan lärt sig en hel del olika typer hadroner, började jämföra dem med varandra och såg plötsligt en viss allmän symmetri, till och med periodiciteten av deras egenskaper. Det antogs att inuti alla hadroner (inklusive nukleoner) finns det några enkla föremål, som kallas "kvarkar". Att kombinera kvarkar olika sätt, är det möjligt att erhålla olika hadroner, dessutom av denna typ och med sådana egenskaper som hittades i experimentet.
Vad gör en proton till en proton?
Efter att fysiker upptäckte kvarkstrukturen hos hadroner och upptäckte att kvarkar finns i flera olika sorter, blev det tydligt att många olika partiklar kan konstrueras av kvarkar. Så ingen blev förvånad när efterföljande experiment fortsatte att hitta nya hadroner efter varandra. Men bland alla hadroner hittades en hel familj av partiklar, som precis som protonen bestod av endast två u-kvarkar och en d-kvarg. Ett slags "bröder" till protonen. Och här fick fysikerna en överraskning.
Låt oss först göra en enkel observation. Om vi har flera föremål som består av samma "tegelstenar", så innehåller tyngre föremål fler "tegelstenar", och lättare - mindre. Detta är en mycket naturlig princip, som kan kallas kombinationsprincipen eller principen om överbyggnad, och den är perfekt uppfylld både i vardagen och i fysiken. Det visar sig även i strukturen av atomkärnor - trots allt består tyngre kärnor helt enkelt av ett större antal protoner och neutroner.
Men på kvarknivå fungerar denna princip inte alls, och visserligen har fysiker ännu inte helt förstått varför. Det visar sig att protonens tunga bröder också består av samma kvarkar som protonen, även om de är en och en halv eller till och med två gånger tyngre än protonen. De skiljer sig från protonen (och skiljer sig från varandra) inte sammansättning, men ömsesidigt plats kvarkar, av det tillstånd i vilket dessa kvarkar är relativa till varandra. Det räcker med att ändra kvarkarnas inbördes position - och vi kommer att få en annan, märkbart tyngre, partikel från protonen.
Men vad händer om du ändå tar och samlar ihop fler än tre kvarkar? Kommer en ny tung partikel att erhållas? Överraskande nog kommer det inte att fungera - kvarkarna kommer att gå sönder i tre och förvandlas till flera olika partiklar. Av någon anledning "gillar inte" naturen att kombinera många kvarkar till en! Först helt nyligen, bokstavligen i senaste åren, det började dyka upp antydningar om att vissa multiquark-partiklar existerar, men detta understryker bara hur mycket naturen inte gillar dem.
En mycket viktig och djupgående slutsats följer av denna kombinatorik - massan av hadroner består inte alls av massan av kvarkar. Men om massan av en hadron kan ökas eller minskas genom att helt enkelt kombinera dess byggstenar, så är kvarkarna själva inte alls ansvariga för massan av hadroner. Faktum är att i efterföljande experiment var det möjligt att ta reda på att massan av kvarkarna själva bara är cirka två procent av protonens massa, och resten av gravitationen uppstår på grund av kraftfältet (speciella partiklar - gluoner) som binder samman kvarkarna. Genom att ändra det inbördes arrangemanget av kvarkar, till exempel genom att flytta dem bort från varandra, förändrar vi därigenom gluonmolnet, gör det mer massivt, varför hadronens massa ökar (fig. 1).
Vad händer inuti en snabbt flygande proton?
Allt som beskrivs ovan gäller en orörlig proton, på fysikers språk är detta strukturen för en proton i dess viloram. Men i experimentet upptäcktes protonens struktur först under andra förhållanden - inuti snabbt flygande proton.
I slutet av 1960-talet, i partikelkollisionsexperiment vid acceleratorer, märktes det att protoner som flyger i nära ljushastighet betedde sig som om energin inuti dem inte var jämnt fördelad, utan koncentrerades i separata kompakta föremål. Den berömda fysikern Richard Feynman föreslog att man skulle kalla dessa materiaklumpar inuti protoner partons(från engelska del- del).
I efterföljande experiment studerades många av partons egenskaper - till exempel deras elektriska laddning, deras antal och andelen protonenergi som var och en bär på. Det visar sig att laddade partoner är kvarkar och neutrala partoner är gluoner. Ja, ja, just de gluonerna, som i protonens viloram helt enkelt "tjänade" kvarkarna och lockade dem till varandra, är nu oberoende partoner och bär tillsammans med kvarkarna "materia" och energi från en fasta -flygande proton. Experiment har visat att ungefär hälften av energin lagras i kvarkar och hälften i gluoner.
Partoner studeras lämpligast vid kollision mellan protoner och elektroner. Faktum är att, till skillnad från protonen, deltar elektronen inte i starka kärnväxelverkan och dess kollision med protonen ser väldigt enkel ut: elektronen befinner sig på ett mycket en kort tid avger en virtuell foton som kraschar in i en laddad parton och så småningom genererar ett stort antal partiklar (fig. 2). Vi kan säga att elektronen är en utmärkt skalpell för att "öppna" protonen och dela upp den i separata delar - dock bara under en mycket kort tid. Genom att veta hur ofta sådana processer inträffar vid acceleratorn är det möjligt att mäta antalet partoner inuti protonen och deras laddningar.
Vilka är de riktiga partonerna?
Och här kommer vi till en annan fantastisk upptäckt som fysiker har gjort när de studerat elementarpartikelkollisioner vid höga energier.
Under normala förhållanden har frågan om vad det eller det objektet består av ett universellt svar för alla referensramar. En vattenmolekyl består till exempel av två väteatomer och en syreatom – och det spelar ingen roll om vi tittar på en stationär eller rörlig molekyl. Men denna regel - det verkar så naturligt! - kränkt om vi pratar om elementarpartiklar som rör sig med hastigheter nära ljusets hastighet. I en referensram kan en komplex partikel bestå av en uppsättning subpartiklar och i en annan referensram av en annan. Det visar sig att sammansättning är ett relativt begrepp!
Hur kan det vara såhär? Nyckeln här är en viktig egenskap: antalet partiklar i vår värld är inte fast - partiklar kan födas och försvinna. Till exempel, om två elektroner med tillräckligt hög energi trycks ihop, kan förutom dessa två elektroner antingen en foton eller ett elektron-positronpar eller några andra partiklar födas. Allt detta är tillåtet av kvantlagar, och det är precis vad som händer i verkliga experiment.
Men denna "lag om icke-konservering" av partiklar fungerar vid kollisioner partiklar. Men hur kommer det sig att samma proton ur olika synvinklar ser ut som om den består av en annan uppsättning partiklar? Faktum är att en proton inte bara är tre kvarkar tillsammans. Det finns ett gluonkraftfält mellan kvarkar. Generellt sett är ett kraftfält (som till exempel ett gravitations- eller elektriskt fält) en slags materiell "enhet" som genomsyrar rymden och tillåter partiklar att utöva kraft på varandra. PÅ kvantteorin fältet består också av partiklar, men speciella sådana - virtuella. Antalet av dessa partiklar är inte fast, de "knoppar" hela tiden från kvarkar och absorberas av andra kvarkar.
vilar Protonen kan verkligen ses som tre kvarkar, mellan vilka gluoner hoppar. Men om vi tittar på samma proton från en annan referensram, som från fönstret på ett "relativistiskt tåg" som passerar, kommer vi att se en helt annan bild. De virtuella gluonerna som limmade kvarkarna tillsammans kommer att tyckas vara mindre virtuella, "mer verkliga" partiklar. De föds naturligtvis fortfarande och absorberas av kvarkar, men samtidigt lever de för sig själva under en tid och flyger bredvid kvarkarna, som riktiga partiklar. Det som ser ut som ett enkelt kraftfält i en referensram förvandlas till en ström av partiklar i en annan ram! Observera att vi inte rör själva protonen, utan bara tittar på den från en annan referensram.
Vidare. Ju närmare hastigheten på vårt "relativistiska tåg" är ljusets hastighet, desto mer fantastisk bild inuti protonen kommer vi att se. När vi närmar oss ljusets hastighet kommer vi att märka att det finns fler och fler gluoner inuti protonen. Dessutom delar de sig ibland i kvarka-antikvarkpar, som också flyger sida vid sida och också anses vara partoner. Som ett resultat av detta uppträder en ultrarelativistisk proton, det vill säga en proton som rör sig i förhållande till oss med en hastighet mycket nära ljusets hastighet, som genomträngande moln av kvarkar, antikvarkar och gluoner som flyger tillsammans och verkar stödja varandra (Fig. 3) ).
Den läsare som är bekant med relativitetsteorin kan vara orolig. All fysik bygger på principen att varje process fortskrider på samma sätt i alla tröghetsreferensramar. Och här visar det sig att protonens sammansättning beror på referensramen från vilken vi observerar den?!
Ja, det stämmer, men det bryter inte mot relativitetsprincipen på något sätt. resultat fysiska processer- till exempel vilka partiklar och hur många som föds till följd av en kollision - visar sig verkligen vara oföränderliga, även om protonens sammansättning beror på referensramen.
Denna situation, ovanlig vid första anblicken, men som uppfyller alla fysikens lagar, illustreras schematiskt i figur 4. Den visar hur en kollision av två högenergiprotoner ser ut i olika referensramar: i vilobilden av en proton, i masscentrumramen, i resten av en annan proton. Interaktionen mellan protoner utförs genom en kaskad av delande gluoner, men endast i ett fall anses denna kaskad vara "insidan" av en proton, i det andra fallet är det en del av en annan proton, och i det tredje fallet är det bara ett föremål utbytt mellan två protoner. Denna kaskad finns, den är verklig, men vilken del av processen den ska tillskrivas beror på referensramen.
3D-porträtt av en proton
Alla resultat som vi just har beskrivit var baserade på experiment som utfördes för ganska länge sedan - på 60- och 70-talen av förra seklet. Det verkar som att allt sedan dess redan borde studeras och alla frågor borde hitta sina svar. Men nej – protonenheten är fortfarande en av de mest intressanta ämnen i elementarpartikelfysik. Dessutom har intresset för det ökat igen på senare år, eftersom fysiker har kommit på hur man får ett "tredimensionellt" porträtt av en proton som rör sig snabbt, vilket visade sig vara mycket mer komplicerat än ett porträtt av en stationär proton.
Klassiska protonkollisionsexperiment berättar bara om antalet partoner och deras energifördelning. I sådana experiment deltar partoner som oberoende objekt, vilket innebär att det är omöjligt att lära av dem hur partoner är placerade i förhållande till varandra, hur exakt de summerar till en proton. Det kan sägas att under lång tid endast ett "endimensionellt" porträtt av en snabbt flygande proton var tillgängligt för fysiker.
För att bygga ett verkligt, tredimensionellt, porträtt av protonen och veta fördelningen av partoner i rymden, krävs mycket mer subtila experiment än de som var möjliga för 40 år sedan. Fysiker har lärt sig att utföra sådana experiment ganska nyligen, bokstavligen under det senaste decenniet. De insåg att bland det enorma antalet olika reaktioner som uppstår när en elektron kolliderar med en proton, finns det en speciell reaktion - djup virtuell Compton-spridning, - som kommer att kunna berätta om protonens tredimensionella struktur.
I allmänhet är Compton-spridning, eller Compton-effekten, den elastiska kollisionen av en foton med någon partikel, såsom en proton. Det ser ut så här: en foton anländer, absorberas av en proton, som kortvarigt går in i ett exciterat tillstånd, och sedan återgår till sitt ursprungliga tillstånd och sänder ut en foton i någon riktning.
Comptonspridning av vanliga ljusfotoner leder inte till något intressant - det är en enkel reflektion av ljus från en proton. För att "spela in" protonens inre struktur och "känna" fördelningen av kvarkar är det nödvändigt att använda fotoner med mycket hög energi - miljarder gånger mer än i vanligt ljus. Och just sådana fotoner - dock virtuella - genereras lätt av en infallande elektron. Om vi nu kombinerar det ena med det andra får vi djup-virtuell Compton-spridning (fig. 5).
Huvuddraget i denna reaktion är att den inte förstör protonen. Den infallande fotonen träffar inte bara protonen, utan känner så att säga försiktigt av den och flyger sedan iväg. I vilken riktning den flyger iväg och vilken del av energin protonen tar ifrån den beror på protonens struktur, på den relativa positionen för partonerna inuti den. Det är därför, genom att studera denna process, är det möjligt att återställa protonens tredimensionella utseende, som om "för att forma dess skulptur."
Det är sant att det är väldigt svårt för en experimentell fysiker att göra detta. Den önskade processen inträffar ganska sällan, och det är svårt att registrera den. De första experimentella data om denna reaktion erhölls först 2001 vid HERA-acceleratorn i det tyska acceleratorkomplexet DESY i Hamburg; den nya dataserien bearbetas nu av experimentörer. Men redan idag, baserat på de första uppgifterna, ritar teoretiker tredimensionella fördelningar av kvarkar och gluoner i protonen. Den fysiska kvantiteten, om vilken fysiker enbart byggde antaganden, började äntligen "uppstå" från experimentet.
Väntar vi på någon oväntade upptäckter i denna region? Det är troligt att ja. Som en illustration kan vi säga att det i november 2008 dök upp en intressant teoretisk artikel, som säger att en snabbflygande proton inte ska se ut som en platt skiva, utan en bikonkav lins. Detta beror på att partonerna som sitter i protonens centrala område är mer komprimerade i längdriktningen än partonerna som sitter på kanterna. Det skulle vara mycket intressant att testa dessa teoretiska förutsägelser experimentellt!
Varför är allt detta intressant för fysiker?
Varför behöver fysiker veta exakt hur materia är fördelad inuti protoner och neutroner?
För det första krävs detta av själva logiken i utvecklingen av fysiken. Det finns många otroligt komplexa system i världen som modern teoretisk fysik ännu inte helt kan hantera. Hadroner är ett sådant system. För att förstå hadronernas struktur finslipar vi förmågan hos teoretisk fysik, som mycket väl kan visa sig vara universell och kanske hjälpa till med något helt annat, till exempel i studiet av supraledare eller andra material med ovanliga egenskaper.
För det andra finns det en omedelbar fördel för kärnfysiken. Trots nästan ett sekels historia av att studera atomkärnor, vet teoretiker fortfarande inte den exakta lagen för interaktionen mellan protoner och neutroner.
De måste dels gissa denna lag utifrån experimentella data, dels konstruera den utifrån kunskap om nukleonernas struktur. Det är här som nya data om nukleonernas tredimensionella struktur kommer att hjälpa.
För det tredje, för några år sedan, lyckades fysiker erhålla inget mindre än ett nytt aggregerat tillstånd av materia - kvarg-gluonplasma. I detta tillstånd sitter kvarkar inte inuti enskilda protoner och neutroner, utan går fritt runt hela massan av kärnämne. Det kan till exempel uppnås på följande sätt: tunga kärnor accelereras i acceleratorn till en hastighet mycket nära ljusets hastighet, och sedan kolliderar de frontalt. I denna kollision uppstår under en mycket kort tid en temperatur på biljoner grader, som smälter kärnorna till en kvarg-gluonplasma. Så det visar sig att de teoretiska beräkningarna av denna kärnsmältning kräver en god kunskap om nukleonernas tredimensionella struktur.
Slutligen är dessa data mycket nödvändiga för astrofysik. När tunga stjärnor exploderar i slutet av deras liv lämnar de ofta extremt kompakta föremål - neutron- och möjligen kvarkstjärnor. Kärnan i dessa stjärnor består helt av neutroner, och kanske till och med av kall kvarg-gluonplasma. Sådana stjärnor har länge upptäckts, men vad som händer inuti dem kan man bara gissa sig till. Så en god förståelse för kvarkfördelningar kan leda till framsteg även inom astrofysik.
Först och främst måste du förstå att det finns fyra olika typer av energi som frigörs:
1) kemisk energi, som driver våra bilar, liksom de flesta av den moderna civilisationens enheter;
2) kärnklyvningsenergi, som används för att generera cirka 15 % av den elektricitet vi förbrukar;
3) energin från het kärnfusion, som driver solen och de flesta stjärnor;
4) energin av kall kärnfusion, som observeras av vissa experimentörer i laboratoriestudier och vars existens förkastas av de flesta forskare.
Mängden kärnenergi som frigörs (värme/pund bränsle) av alla tre typerna är 10 miljoner gånger större än kemisk energi. Hur skiljer sig dessa typer av energi? För att förstå denna fråga krävs viss kunskap inom området kemi och fysik.
Genom att använda erbjudandena från denna onlinebutik som säljer varor för hemmet kan du enkelt köpa alla varor till överkomliga priser.
Naturen har gett oss två sorters stabilt laddade partiklar: protoner och elektroner. En proton är en tung, vanligtvis mycket liten, positivt laddad partikel. Elektronen är vanligtvis lätt, stor, med suddiga gränser och har en negativ laddning. Positiva och negativa laddningar attraherar varandra, precis som en magnets nordpol attraherar sydpolen. Om en magnet förs med sin nordpol till Sydpolen en annan magnet kommer de att kollidera. Kollisionen kommer att frigöra en liten mängd energi i form av värme, men den är för liten för att lätt kunna mätas. För att separera magneterna måste du göra arbete, det vill säga förbruka energi. Det är ungefär detsamma som att lyfta en sten tillbaka uppför backen.
När en sten rullar nerför en kulle frigörs en liten mängd värme, men processen att lyfta upp stenen igen kräver energi.
På samma sätt kolliderar protonens positiva laddning med elektronens negativa laddning, de "håller ihop" och frigör energi. Resultatet är en väteatom, kallad H. En väteatom är inget annat än en suddig elektron som omsluter en liten proton. Slår man ut en elektron från en väteatom får man en positivt laddad H+-jon, som inte är något annat än den ursprungliga protonen. "jon" är namnet på en atom eller molekyl som har förlorat eller fått en eller flera elektroner och därför inte längre är neutral.
Som ni vet finns det mer än en sorts atomer i naturen. Vi har syreatomer, kväveatomer, järnatomer, heliumatomer och andra. Hur är de alla olika? De har alla kärnor annan typ och alla kärnor innehåller olika mängd protoner, vilket betyder att de har en annan positiv laddning. En heliumkärna innehåller 2 protoner, vilket betyder att den har en plus 2 laddning, och det krävs 2 elektroner för att neutralisera laddningen. När två elektroner "limmas" till den bildas en heliumatom. Syrekärnan innehåller 8 protoner och har en laddning på 8. När 8 elektroner "limmas" på den bildas en syreatom. En kväveatom har 7 elektroner, en järnatom har cirka 26. Strukturen hos alla atomer är dock ungefär densamma: en liten, positivt laddad kärna, belägen i ett moln av diffusa elektroner. Skillnaden i storlek mellan kärnan och elektronerna är enorm.
Solens diameter är bara 100 gånger jordens diameter. Diametern på elektronmolnet i en atom är 100 000 gånger kärnans diameter. För att få skillnaden i volymer är det nödvändigt att höja dessa siffror till en kub.
Nu är vi redo att förstå vad kemisk energi är. Atomer, som är elektriskt neutrala, kan faktiskt binda till varandra och frigöra mer energi. Med andra ord kan de kombineras till mer stabila konfigurationer. Redan i atomen försöker elektronerna fördela sig på ett sådant sätt att de kommer så nära kärnan som möjligt, men på grund av sin luddiga natur kräver de ett visst utrymme. Men när de kombineras med en annan atoms elektroner bildar de vanligtvis en närmare konfiguration, vilket gör att de kan närma sig kärnorna. Till exempel kan 2 väteatomer kombineras till en mer kompakt konfiguration om varje väteatom donerar sin elektron till ett moln av 2 elektroner, som är uppdelat mellan två protoner.
Således bildar de en grupp som består av två elektroner i ett enda moln och två protoner separerade från varandra av rymden, men ändå belägna inuti molnet av elektroner. Som ett resultat uppstår en kemisk reaktion som fortsätter med frigöring av värme: H + H => H G (Tecknet "=>" betyder "går in i" eller "blir"). H2-konfigurationen är en vätemolekyl; när du köper en ballong med väte får du inget annat än H-molekyler. Dessutom kan två H 2 -elektroner och 8 O-atomelektroner bilda en ännu mer kompakt konfiguration - en vattenmolekyl H O plus värme. Faktum är att en vattenmolekyl är ett enda moln av elektroner, inuti vilket det finns trepunktskärnor. En sådan molekyl är den minimala energikonfigurationen.
Genom att bränna olja eller kol omfördelar vi alltså elektroner. Detta leder till bildandet av mer stabila konfigurationer av punktkärnor inuti elektronmoln och åtföljs av värmefrisättning. Detta är den kemiska energins natur.
I förra diskussionen missade vi en punkt. Varför innehåller kärnor i naturen initialt två eller flera protoner? Varje proton har en positiv laddning, och när avståndet mellan de positiva laddningarna är så litet att det står i proportion till utrymmet som omger kärnan stöter de kraftigt bort varandra. Avstötningen av liknande laddningar liknar avstötningen som sker mellan nordpolerna på två magneter när de försöker koppla ihop dem felaktigt. Det måste finnas något som övervinner denna repulsion, annars skulle bara väteatomer existera. Som tur är ser vi att så inte är fallet.
Det finns en annan typ av kraft som verkar på protonen. Det här är kärnkraft. På grund av att den är mycket stor hålls partiklarna stadigt nästan ovanpå varandra. Dessutom finns det en andra typ av tunga partiklar, som skiljer sig från protonen endast genom att de varken har en positiv eller en negativ laddning. De stöts inte bort av protonens positiva laddning. Dessa partiklar kallas "neutroner" eftersom de är elektriskt neutrala. Det speciella är att partiklarnas oförändrade tillstånd endast är möjligt inuti kärnan. När en partikel är utanför kärnan förvandlas den inom cirka 10 minuter till en proton, en elektron och en mycket lätt antineutrino. Men inne i kärnan kan den förbli oförändrad under en godtyckligt lång tid. Hur som helst, neutronen och protonen attraheras väldigt starkt av varandra. Efter att ha närmat sig på tillräckligt avstånd kopplar de samman och bildar ett mycket starkt par, den så kallade deuteronen, som betecknas med D +. En enda deuteron kombineras med en enda elektron för att bilda en tung väteatom, eller deuterium, betecknad D.
Den andra kärnreaktionen inträffar när två deuteroner interagerar. När två deuteroner tvingas interagera, kombineras de för att bilda en partikel som har en dubbel laddning. En samling av två protoner och två neutroner är till och med stabilare än en samling proton-neutron i deuteronet. Den nya partikeln, neutraliserad av 2 elektroner, blir kärnan i en heliumatom, som betecknas He. I naturen finns det också stora grupper som är kärnorna av kol, kväve, syre, järn och andra atomer. Förekomsten av alla dessa grupperingar är möjlig på grund av kärnkraften som uppstår mellan partiklar när de interagerar med varandra eller delar en total rymdvolym som är lika med kärnans storlek.
Nu kan vi förstå naturen hos vanlig kärnenergi, som egentligen är kärnklyvningsenergi. För tidig historia massiva stjärnor som bildades i universum. Under explosionen av sådana massiva stjärnor bildades kärnor av många typer och bröt ut i yttre rymden igen. Planeter och stjärnor, inklusive solen, bildades av denna massa.
Det är möjligt att under explosionen uppträdde alla möjliga stabila konfigurationer av protoner och neutroner, såväl som sådana praktiskt taget stabila grupper som urankärnan. Faktum är att det finns tre typer av urankärnor: uran-234, uran-235 och uran-238. Dessa "isotoper" skiljer sig åt i antalet neutroner, men de innehåller alla 92 protoner. Kärnor av vilken typ av uranatom som helst kan förändras till lägre energikonfigurationer genom att kasta ut heliumkärnor, men denna process är så sällsynt att markbundet uran behåller sina egenskaper i cirka 4 miljarder år.
Det finns dock ett annat sätt att bryta konfigurationen av urankärnan. PÅ i generella termer, grupperingar av protoner och neutroner är mest stabila om de innehåller cirka 60 proton-neutronpar. Antalet sådana par som finns i kärnan av uran är tre gånger högre än denna siffra. Som ett resultat tenderar det att delas i två delar, samtidigt som det avger en stor mängd värme. Naturen låter den dock inte separera. För att göra detta måste den först gå in i en högre energikonfiguration. Men en typ av uran, uran-235, betecknad 235 U, får den energi den behöver genom att fånga en neutron. Efter att ha fått den nödvändiga energin sönderdelas kärnan och släpper stor mängd energi och frigör ytterligare neutroner. Dessa extra neutroner kan i sin tur klyva uran-235 kärnor, vilket leder till en kedjereaktion.
Det är denna process som äger rum i kärnkraftverk, där värme, som är slutprodukten av kärnklyvning, används för att koka vatten, producera ånga och vända en elektrisk generator. (Nackdelen med denna metod är frigörandet av radioaktivt avfall, som måste bortskaffas på ett tillförlitligt sätt).
Nu är vi redo att förstå essensen av het kärnfusion. Som nämnts i lektion 5 är proton- och neutronkluster mest stabila när antalet protoner och neutroner ungefär motsvarar deras antal i en järnatoms kärna. Liksom uran, som normalt innehåller för många neutronprotoner, innehåller lätta element som väte, helium, kol, kväve och syre för få av dessa par.
Om du skapar de nödvändiga förutsättningarna för dessa kärnor att interagera, kommer de att kombineras till mer stabila grupperingar med frigöring av värme. Detta är syntesprocessen. I naturen finns den i stjärnor som solen. I naturen är komprimerat väte väldigt varmt, och efter ett tag uppstår en fusionsreaktion. Om processen ursprungligen hade skett med deuteroner, som redan innehåller en fördubblad proton och neutron, skulle reaktioner i stjärnor fortskrida relativt lätt. Den hastighet med vilken en atom av varje särskild typ rör sig inuti ett moln av liknande atomer är direkt beroende av temperaturen. Ju högre temperatur, desto högre hastighet, och desto närmare är atomerna varandra, vilket gör en engångskollision.
I stjärnor är temperaturen tillräckligt hög för att elektronerna ska lämna kärnan. Således kan vi säga att vi i verkligheten har att göra med ett blandat moln av elektroner och kärnor. Vid mycket hög temperatur kärnorna vid kollisionsögonblicket är så nära varandra att kärnkraften slås på och attraherar dem till varandra. Som ett resultat kan kärnorna "klibba ihop" och förvandlas till ett gäng med lägre energi av protoner och neutroner, vilket frigör värme. Hot fusion är ett försök att utföra denna process i laboratoriet med deuterium och ternärt väte (vars kärna innehåller 1 proton och 2 neutroner) som gas. För varm fusion krävs att man håller en gastemperatur på hundratals miljoner grader, vilket med hjälp av magnetiskt fält kan nås, men bara i 1-2 sekunder. Förhoppningen är att det ska vara möjligt att hålla temperaturen på gasen under en längre tid. Så länge som temperaturen är tillräckligt hög fortskrider kärnreaktionen i ögonblicket för kollision mellan kärnorna.
Den huvudsakliga formen i vilken energi frigörs är frigörandet av högenergiska neutroner och protoner. Protoner omvandlas mycket snabbt till värme. Neutronernas energi kan också förvandlas till värme, men efter det blir utrustningen radioaktiv. Det är mycket svårt att dekontaminera utrustning, så varmfusion är inte lämplig som metod för kommersiell kraftgenerering. I alla fall är energin av het fusion en dröm som redan finns, enligt minst, 50 år. Men de flesta forskare ser varm fusion som det enda sättet att generera fusionsenergi. Processen med varm fusion producerar mindre strålning än fission, det är en miljövänlig och praktiskt taget obegränsad bränslekälla på jorden (i förhållande till modern energiförbrukning skulle det räcka i många miljoner år).
Slutligen kommer vi till förklaringen av kall fusion. Kall fusion kan vara ett enkelt och icke-radioaktivt sätt att frigöra fusionsenergi. I processen med kall fusion interagerar protonerna och neutronerna i en kärna med protonerna och neutronerna i en annan på ett helt annat sätt.
Samtidigt bidrar kärnkraften till att de bildar en mer stabil konfiguration. För varje kärnreaktion är det nödvändigt att de reagerande kärnorna har en gemensam rymdvolym. Detta krav kallas partikeluppriktning. Vid varm fusion kombineras partiklar under en kort tid, när den frånstötande kraften hos två positiva laddningar övervinns, och kärnorna kolliderar. Under kall fusion uppnås partikelinriktning genom att tvinga deuteriumkärnor att bete sig som luddiga partiklar som elektroner snarare än små punktpartiklar. När lätt eller tungt väte tillsätts till en tungmetall intar varje "atom" av väte en position där den omges på alla sidor av tungmetallatomer.
Denna form av väte kallas intermediär. Väteatomernas elektroner blir tillsammans med det mellanliggande vätet en del av elektronmassan i metallen. Varje vätekärna svänger som en pendel och passerar genom ett negativt laddat moln av metallelektroner. En sådan vibration uppstår även vid mycket låga temperaturer, i enlighet med kvantmekanikens postulat. Denna rörelse kallas nollpunktsrörelse. I det här fallet blir kärnorna suddiga föremål, som elektroner i en atom. Sådan ludighet är dock inte tillräckligt för att en vätekärna ska kunna interagera med en annan.
Ett annat villkor är nödvändigt för att två eller flera vätekärnor ska ha samma gemensamma utrymme. Elektricitet, som bärs av elektroner i en metall, beter sig som en vibrerande materialvåg och inte som punktpartiklar. Om elektroner inte betedde sig som vågor i fasta ämnen skulle det inte finnas några transistorer eller moderna datorer. En elektron i form av en våg kallas en elektron av Bloch-funktionen. Hemligheten med kall fusion är behovet av att få en deuteron av Bloch-funktionen. För att två eller flera deuteroner ska ha en gemensam rymdvolym måste vågdeuteroner produceras inuti eller på ytan av ett fast ämne. Så snart Bloch-funktionsdeuteronerna skapas börjar kärnkraften verka och protonerna och neutronerna som utgör deuteronen omorganiseras till en mer stabil konfiguration av Bloch-funktionens helium, vilket åtföljs av frigöring av värme.
För att studera kall fusion måste försöksledaren få deuteroner att gå in i ett vågtillstånd och hålla dem i det tillståndet. Kallfusionsexperiment som visar frigörandet av överskottsvärme bevisar att detta är möjligt. Men än så länge vet ingen hur man genomför en sådan process på det mest tillförlitliga sättet. Användningen av kall fusion lovar att få en energiresurs som kommer att hålla i miljontals år, och det kommer inte att finnas några problem Global uppvärmning, inte heller radioaktivitet - det är därför allvarliga ansträngningar bör göras för att studera detta fenomen.
Aktobe, 2014
Hadron. Klassen av elementarpartiklar som deltar i den starka interaktionen. Hadroner är uppbyggda av kvarkar och delas in i två grupper: baryoner (gjorda av tre kvarkar) och mesoner (gjorda av en kvark och en antikvark). Det mesta av det vi observerar består av baryoner: protoner och nukleoner som ingår i atomernas kärnor.
Strålningskällans aktivitetär förhållandet mellan det totala antalet sönderfall av radioaktiva kärnor i en radioaktiv källa och sönderfallstiden.
alfastrålning- typ av joniserande strålning - en ström av positivt laddade partiklar (alfapartiklar) som sänds ut under radioaktivt sönderfall och kärnreaktioner. Den genomträngande kraften hos alfastrålning är låg (fördröjd av ett pappersark). Det är extremt farligt för alfastrålningskällor att komma in i kroppen med mat, luft eller genom hudskador.
Alfa förfall(eller α-sönderfall) - spontan emission av alfapartiklar (heliumatomens kärnor) från atomkärnor
alfapartikel- en partikel som består av två protoner och två neutroner. Identisk med heliumatomens kärna.
Förintelse- samspelet mellan en elementarpartikel och en antipartikel, som ett resultat av vilket de försvinner och deras energi omvandlas till elektromagnetisk strålning.
Annihilation är reaktionen av omvandlingen av en partikel och en antipartikel vid kollision med andra partiklar.
En antipartikel är en partikel som har samma värden på massa, spinn, laddning och andra fysikaliska egenskaper som dess "tvillingpartikel", men som skiljer sig från den i tecken på vissa interaktionsegenskaper (till exempel i tecknet på elektrisk laddning ).
Antipartiklar är tvillingar av vanliga elementarpartiklar, som skiljer sig från de senare genom tecknet på den elektriska laddningen och tecknen på några andra egenskaper. Partiklar och antipartiklar har samma massor, spinn och livslängder.
AC- kärnkraftverk - ett industriföretag för produktion av elektrisk eller termisk energi med användning av en eller flera kärnkraftsreaktorer och ett komplex nödvändiga system, enheter, utrustning och strukturer med nödvändig personal,
Atom- den minsta partikeln av ett kemiskt element som behåller sina egenskaper. Består av en kärna med protoner och neutroner och elektroner som rör sig runt kärnan. Antalet elektroner i en atom är lika med antalet protoner i kärnan.
Atomisk massaär massan av en atom av ett kemiskt element, uttryckt i atommassaenheter (a.m.u.). För 1 amu 1/12 av massan av en kolisotop med en atommassa på 12 accepteras.1amu = 1,6605655 10-27 kg. Atommassan är summan av massorna av alla protoner och neutroner i en given atom.
atomkärnan- den positivt laddade centrala delen av atomen, kring vilken elektroner kretsar och i vilken nästan hela atomens massa är koncentrerad. Består av protoner och neutroner. Kärnladdningen bestäms av den totala laddningen av protoner i kärnan och motsvarar det kemiska elementets atomnummer i det periodiska systemet av element.
baryoner- partiklar som består av tre kvarkar som bestämmer deras kvantantal. Alla baryoner, med undantag för protonen, är instabila.
förvaringspool- en anläggning belägen på reaktorplatsen för ett kärnkraftverk för tillfällig lagring av använt kärnbränsle under ett vattenlager för att minska radioaktivitet och sönderfallsvärme.
becquerel(Bq) är SI-enheten för aktiviteten hos ett radioaktivt ämne. 1 Bq är lika med aktiviteten hos ett sådant radioaktivt ämne, i vilket en sönderfallshandling sker på 1 s.
β y-strålarär flödet av snabba elektroner.
α-strålarär flödet av heliumkärnor.
γ strålar - elektromagnetiska vågor med en mycket kort våglängd (L ~ 10 -10 m).
betastrålning- typ av joniserande strålning - en ström av elektroner eller positroner som emitteras under kärnreaktioner eller radioaktivt sönderfall. Betastrålning kan tränga in i kroppens vävnader till ett djup av 1 cm. Den utgör en fara för människor både när det gäller extern och intern exponering.
beta partiklar- elektroner och positroner som emitteras av atomkärnor, samt en fri neutron under beta-sönderfall. Under det elektroniska beta-sönderfallet av en atomkärna emitteras en elektron e - (liksom en antineutrino), under positronsönderfallet av kärnor - en positron e + (och en neutrino ν). När en fri neutron (n) sönderfaller bildas en proton (p), en elektron och en antineutrino: n → p + e - +.
Elektron och positron– stabila partiklar med spin J = 1/2 (inre mekanisk rörelsemängd), tillhörande klassen leptoner. Positronen är antipartikeln med avseende på elektronen.
Biologiskt skydd- strålningsbarriär skapad runt reaktorhärden och dess kylsystem för att förhindra skadliga effekter neutron- och gammastrålning på personal, allmänhet och miljö. Betong är det huvudsakliga biologiska skyddsmaterialet vid ett kärnkraftverk. För högeffektsreaktorer når tjockleken på betongskyddsskärmen flera meter.
Bosoner(från namnet på den indiske fysikern S. Bose) - elementarpartiklar, atomkärnor, atomer med noll eller heltalsspinn (0ћ, 1ћ, 2ћ, ...).
snabba neutroner- neutroner vars kinetiska energi är högre än ett visst värde. Detta värde kan variera över ett brett intervall och beror på applikationen (reaktorfysik, skydd eller dosimetri). Inom reaktorfysik är detta värde oftast valt att vara 0,1 MeV.
molnkammare– en spårdetektor av elementärt laddade partiklar, där spåret (spåret) av en partikel bildar en kedja av små vätskedroppar längs dess rörelsebana.
Gammastrålning- typ av joniserande strålning - elektromagnetisk strålning som sänds ut under radioaktivt sönderfall och kärnreaktioner, sprider sig med ljusets hastighet och har hög energi och penetrerande kraft. Det försvagas effektivt när det interagerar med tunga element, såsom bly. För att dämpa gammastrålning i kärnreaktorer i kärnkraftverk används en tjockväggig skyddsskärm av betong.
Lagen om radioaktivt sönderfall- lagen genom vilken antalet odlade atomer hittas: N \u003d N 0 2 -t / T.
Deuterium- "tung" isotop av väte med atommassa 2.
Detektor för joniserande strålning- känsligt element i mätinstrumentet avsett för registrering av joniserande strålning. Dess verkan är baserad på de fenomen som uppstår när strålning passerar genom materia.
Stråldos- i strålsäkerhet - ett mått på effekten av joniserande strålning på ett biologiskt föremål, särskilt en person. Det finns exponering, absorberade och likvärdiga doser.
Överskottsmassa(eller massdefekt) - uttryckt i energienheter, skillnaden mellan massan av en neutral atom och produkten av antalet nukleoner (det totala antalet protoner och neutroner) i denna atoms kärna per atommassaenhet
isotoper- nuklider med samma atomnummer men olika atommassa (till exempel uran-235 och uran-238).
isotoper- atomkärnor samma nummer protoner Z, ett annat antal neutroner N och följaktligen ett annat massatal A \u003d Z + N. Exempel: kalciumisotoper Ca (Z \u003d 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca .
radioaktiva isotoper- isotopkärnor som genomgår radioaktivt sönderfall. De flesta kända isotoper är radioaktiva (~3500).
molnkammare- En anordning för att observera spår av mikropartiklar som rör sig med hög hastighet (elektroner, protoner, a-partiklar, etc.). Skapad 1912 av den engelske fysikern Wilson.
En kvark är en elementärt laddad partikel som deltar i den starka interaktionen. Protoner och neutroner är vardera uppbyggda av tre kvarkar.
kosmisk strålning- bakgrund joniserande strålning, som består av primär strålning som kommer från yttre rymden och sekundär strålning som härrör från interaktionen mellan primär strålning och atmosfären.
Kosmiska strålar är strömmar av högenergiladdade elementarpartiklar (främst protoner, alfapartiklar och elektroner) som fortplantar sig i det interplanetära och interstellära rymden och kontinuerligt "bombarderar" jorden.
multiplikationsfaktor- den viktigaste egenskapen hos en klyvningskedjereaktion, som visar förhållandet mellan antalet neutroner i en given generation och antalet neutroner från föregående generation i ett oändligt medium. En annan definition av multiplikationsfaktorn används ofta - förhållandet mellan genereringshastigheten och absorptionen av neutroner.
Kritisk massa- den minsta bränslemassan i vilken en självförsörjande kedjereaktion av kärnklyvning kan fortgå med en viss utformning och sammansättning av kärnan (beror på många faktorer, till exempel: bränslesammansättning, moderator, kärnans form, etc.).
Curie (Ci)- aktivitetsenhet utanför systemet, initialt aktiviteten för 1 g av radium-226-isotopen. 1Ci=3,7 1010 Bq.
Kritisk massa(t k) - den minsta massan av kärnbränsle (uran, plutonium), vid vilken en kärnkedjereaktion utförs.
Curie(Ki) är en aktivitetsenhet utanför systemet för ett radioaktivt ämne. 1 Ci \u003d 3,7 10 10 Bq.
leptoner(från grekiska leptos - lätta, små) - en grupp punktpartiklar med ett spinn på 1/2ћ, som inte deltar i stark interaktion. Leptonstorlek (om den finns)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- elektron (e -) och elektronneutrino (ν e),
- myon (μ –) och myon neutrino (ν μ),
- tau lepton (τ –) och tau neutrino (ν τ),
Magiska kärnor är atomkärnor som innehåller de så kallade magiska talen av protoner eller neutroner.
| Z | |||||||
| N |
Dessa kärnor har en bindningsenergi som är större än närliggande kärnor. De har en hög nukleonseparationsenergi och ett ökat överflöd i naturen.
Massnummer(A) är det totala antalet nukleoner (protoner och neutroner) i atomkärnan; en av atomkärnans huvudegenskaper.
Doshastighet- förhållandet mellan stråldosökningen under ett tidsintervall och detta intervall (till exempel: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, µrem/h, µSv/h).
Neutron- neutral elementär frekvent med en massa nära protonmassan. Tillsammans med protoner bildar neutroner atomkärnan. I det fria tillståndet är det instabilt och sönderfaller till en proton och en elektron.
Nuklid- en typ av atom med ett visst antal protoner och neutroner i kärnan, kännetecknad av atommassa och atomnummer (serienummer).
Anrikning (genom isotop):
2. En process som ökar halten av en viss isotop i en blandning av isotoper.
Berikning uranmalm - en uppsättning processer för primär bearbetning av mineraliskt uraninnehållande råmaterial, i syfte att separera uran från andra mineraler som utgör malmen. I detta fall sker ingen förändring i sammansättningen av mineraler, utan endast deras mekaniska separation med produktion av malmkoncentrat.
Anrikat kärnbränsle- Kärnbränsle, i vilket innehållet av klyvbara nuklider är högre än i den ursprungliga naturliga råvaran.
Anrikat uran- uran, där halten av uran-235 isotopen är högre än i naturligt uran.
Halva livet(T) är det tidsintervall under vilket hälften av det initiala antalet kärnor kommer att sönderfalla.
Halva livetär den tid det tar för hälften av de radioaktiva kärnorna att sönderfalla. Denna kvantitet, betecknad T 1/2 , är en konstant för en given radioaktiv kärna (isotop). Värdet på T 1/2 kännetecknar tydligt sönderfallshastigheten för radioaktiva kärnor och är ekvivalent med två andra konstanter som kännetecknar denna hastighet: medellivslängden för en radioaktiv kärna τ och sannolikheten för sönderfall av en radioaktiv kärna per tidsenhet λ.
Absorberad stråldos- förhållandet mellan den absorberade energin E av joniserande strålning och massan av det bestrålade ämnet.
Bohrs postulat- de huvudsakliga antagandena som införts utan bevis av N. Bohr, som ligger till grund för atomens kvantteorin.
Förskjutningsregel: under a-sönderfall förlorar kärnan sin positiva laddning 2e, och dess massa minskar med ungefär 4 a.m.u.; vid b-sönderfall ökar kärnans laddning med 1e, och massan förändras inte.
Halveringstid för en radionuklidär den tid under vilken antalet kärnor i en given radionuklid minskar med hälften som ett resultat av spontant sönderfall.
Positron- en antipartikel av en elektron med en massa lika med massan av en elektron, men med en positiv elektrisk laddning.
Proton- en stabil positivt laddad elementarpartikel med en laddning på 1,61 10-19 C och en massa på 1,66 10-27 kg. Protonen bildar kärnan i den "lätta" isotopen av väteatomen (protium). Antalet protoner i kärnan av ett element bestämmer laddningen av kärnan och atomnumret för det elementet.
Radioaktivitet- spontan omvandling (radioaktivt sönderfall) av en instabil nuklid till en annan nuklid, åtföljd av emission av joniserande strålning.
Radioaktivitet- vissa atomkärnors förmåga att spontant omvandlas till andra kärnor, samtidigt som de avger olika partiklar.
radioaktivt avfall- spontan nukleär transformation.
Bridreaktor- en snabb reaktor, i vilken omvandlingsfaktorn överstiger 1 och utökad reproduktion av kärnbränsle utförs.
Geiger mätare(eller Geiger-Muller-räknare) - en gasfylld räknare av laddade elementarpartiklar, vars elektriska signal förstärks på grund av sekundär jonisering av räknarens gasvolym och inte beror på den energi som partikeln lämnar i denna volym.
TVEL- ett värmealstrande element. Det huvudsakliga strukturella elementet i den aktiva zonen i en heterogen reaktor, i form av vilken bränsle laddas in i den. I bränslestavarna sker klyvning av tunga kärnor U-235, Pu-239 eller U-233, åtföljd av frigöring av energi, och termisk energi överförs från dem till kylvätskan. Bränslestavarna består av en bränslekärna, en beklädnad och ändstycken. Typen av bränsleelement bestäms av typen och syftet med reaktorn, kylvätskeparametrar. Bränsleelementet måste säkerställa tillförlitlig värmeavledning från bränslet till kylvätskan.
Arbetskropp- medium (värmebärare) som används för att omvandla termisk energi till mekanisk energi.
Mörk materia− osynligt (icke-strålande och icke-absorberande) ämne. Dess existens bevisas definitivt av gravitationseffekter. Observationsdata indikerar också att denna mörka materia-energi är uppdelad i två delar:
- den första är den så kallade mörka materian med en densitet
W dm = 0,20–0,25, är okända, svagt interagerande massiva partiklar (inte baryoner). Dessa kan till exempel vara stabila neutrala partiklar med massor från 10 GeV/c2 till 10 TeV/c2 förutspådda av supersymmetriska modeller, inklusive hypotetiska tunga neutriner;
den andra är den så kallade mörka energin med en densitet
W Λ = 0,70–0,75), vilket tolkas som ett vakuum. Detta avser en speciell form av materia - det fysiska vakuumet, dvs. det lägsta energitillståndet för de fysiska fälten som penetrerar rymden.
termonukleära reaktioner− Fusionsreaktioner (syntes) av lätta kärnor som sker vid höga temperaturer. Dessa reaktioner fortskrider vanligtvis med frigöring av energi, eftersom i den tyngre kärnan som bildas till följd av fusionen binds nukleonerna starkare, d.v.s. har i genomsnitt en högre bindningsenergi än i de initiala sammanslagna kärnorna. Överskottet av total bindningsenergi av nukleoner frigörs sedan i form av reaktionsprodukternas kinetiska energi. Namnet "fusionsreaktioner" återspeglar det faktum att dessa reaktioner äger rum vid höga temperaturer ( > 10 7 –10 8 K), eftersom för sammanslagning måste lätta kärnor närma sig varandra till avstånd som är lika med verkningsradien för kärnkrafterna för attraktion, d.v.s. upp till avstånd ≈10 -13 cm.
Transuranelement- kemiska grundämnen med en laddning (antal protoner) större än uran, d.v.s. Z > 92.
fissionskedjereaktion- en självuppehållande reaktion av klyvning av tunga kärnor, där neutroner kontinuerligt reproduceras, vilket delar upp fler och fler nya kärnor.
fissionskedjereaktion- sekvensen av klyvningsreaktionen av tunga atomers kärnor när de interagerar med neutroner eller andra elementarpartiklar, som ett resultat av vilket lättare kärnor, nya neutroner eller andra elementarpartiklar bildas och kärnenergi frigörs.
Nukleär kedjereaktion- efterföljande kärnreaktioner, exciteras av partiklar (till exempel neutroner) som produceras i varje reaktionsakt. Beroende på det genomsnittliga antalet reaktioner efter en föregående - mindre än, lika med eller större än en - kallas reaktionen dämpad, självuppehållande eller växande.
Kedjereaktioner- självförsörjande kärnreaktioner, i vilka en kedja av kärnor är sekventiellt involverade. Detta händer när en av produkterna från en kärnreaktion reagerar med en annan kärna, produkten av den andra reaktionen reagerar med nästa kärna, och så vidare. En kedja av på varandra följande kärnreaktioner inträffar. Mest berömt exempel en sådan reaktion är en kärnklyvningsreaktion som orsakas av en neutron
exotermiska reaktioner- kärnreaktioner som fortskrider med frigörande av energi.
Elementarpartiklar- de minsta partiklarna av fysisk materia. Idéer om elementarpartiklar speglar det stadiet i kunskapen om materiens struktur, som har uppnåtts av modern vetenskap. Tillsammans med antipartiklar har omkring 300 elementarpartiklar upptäckts. Termen "elementarpartiklar" är godtycklig, eftersom många elementarpartiklar har en komplex inre struktur.
Elementarpartiklar- materiella föremål som inte kan delas upp i beståndsdelar. I enlighet med denna definition kan elementarpartiklar inte inkludera molekyler, atomer och atomkärnor som kan delas in i beståndsdelar - en atom delas in i en kärna och orbitala elektroner, en kärna - till nukleoner.
Energiutbyte av en kärnreaktion- skillnaden mellan resten av energierna hos kärnor och partiklar före och efter reaktionen.
Endotermiska reaktioner- kärnreaktioner som fortskrider med absorption av energi.
Atomkärnans bindningsenergi(E St) - kännetecknar intensiteten av interaktionen mellan nukleoner i kärnan och är lika med den maximala energi som måste förbrukas för att dela kärnan i separata icke-interagerande nukleoner utan att ge dem kinetisk energi.
Mössba effekt uera - fenomenet resonansabsorption av gammakvanta av atomkärnor utan energiförlust för återgång av momentum.
Nukleär (planetär) modell av atomen- i mitten finns en positivt laddad kärna (diameter ca 10 -15 m); runt kärnan, liksom planeterna i solsystemet, rör sig elektroner i cirkulära banor.
kärnkraftsmodeller– förenklade teoretiska beskrivningar av atomkärnor utifrån representationen av kärnan som ett objekt med förutbestämda karakteristiska egenskaper.
Kärnklyvningsreaktion- reaktionen vid klyvning av atomkärnor av tunga grundämnen under inverkan av neutroner.
kärnreaktion- reaktionen av omvandlingen av atomkärnor som ett resultat av interaktion med varandra eller med några elementära partiklar.
Kärnkraftär den energi som frigörs som ett resultat av den interna omstruktureringen av atomkärnor. Kärnenergi kan erhållas i kärnreaktioner eller radioaktivt sönderfall av kärnor. De huvudsakliga källorna till kärnenergi är fissionsreaktioner av tunga kärnor och syntes (kombination) av lätta kärnor. Den senare processen kallas även termonukleära reaktioner.
kärnkrafter- krafter som verkar mellan nukleoner i atomkärnor och bestämmer kärnornas struktur och egenskaper. De har kort räckvidd, deras räckvidd är 10-15 m.
Kärnreaktor - en anordning i vilken en kontrollerad kedjereaktion av kärnklyvning utförs.
En självuppehållande fissionskedjereaktion är en kedjereaktion i ett medium där multiplikationsfaktorn k >= 1.
kärnkraftsolycka– En kärnkraftsolycka är förlust av kontroll över en kedjereaktion i en reaktor, eller bildandet av en kritisk massa under omlastning, transport och lagring av bränslestavar. Som ett resultat av en kärnkraftsolycka skadas bränslestavar på grund av obalansen i den genererade och avlägsnade värmen, med frigörande av radioaktiva klyvningsprodukter till utsidan. I detta fall blir potentiellt farlig exponering av människor och kontaminering av det omgivande området möjlig. .
Kärnkraftssäkerhet- en allmän term som kännetecknar en kärnteknisk anläggnings egenskaper vid normal drift och att vid en olycka begränsa strålningspåverkan på personal, allmänhet och miljö till acceptabla gränser.
Kärnfission- en process som åtföljs av delning av kärnan i en tung atom vid interaktion med en neutron eller annan elementarpartikel, som ett resultat av vilket lättare kärnor, nya neutroner eller andra elementarpartiklar bildas och energi frigörs.
kärnämne- eventuellt ursprungsmaterial, speciellt kärnämne och ibland malmer och malmavfall.
kärnkraftsomvandling - omvandlingen av en nuklid till en annan.
Kärnreaktor- en anordning i vilken en kontrollerad kärnkedjereaktion utförs. Kärnreaktorer klassificeras efter syfte, neutronenergi, typ av kylmedel och moderator, kärnstruktur, design och andra karakteristiska egenskaper.
kärnreaktion- omvandling av atomkärnor, orsakad av deras interaktion med elementarpartiklar, eller med varandra, och åtföljd av en förändring i kärnornas massa, laddning eller energitillstånd.
Kärnbränsle - material som innehåller klyvbara nuklider som, när de placeras i en kärnreaktor, tillåter en kärnkedjereaktion att äga rum. Den har en mycket hög energiintensitet (med en fullständig klyvning av 1 kg U-235 frigörs energi lika med J, medan förbränning av 1 kg organiskt bränsle frigör energi i storleksordningen (3-5) J, beroende på på typen av bränsle).
Kärnbränslecykeln- En uppsättning åtgärder för att säkerställa driften av kärnreaktorer som utförs i ett system av företag som är sammankopplade av ett flöde av kärnmaterial och inklusive urangruvor, anläggningar för bearbetning av uranmalm, uranomvandling, bränsleanrikning och tillverkning, kärnreaktorer, lagring av använt bränsle anläggningar, anläggningar för upparbetning av använt bränsle bränslen och tillhörande mellanlagrings- och lagringsanläggningar för omhändertagande av radioaktivt avfall
kärnkraftverk- Varje anläggning som genererar, bearbetar eller hanterar radioaktiva eller klyvbara material i sådana mängder att kärnsäkerhetsfrågor måste beaktas.
Kärnkraft- den inre energin hos atomkärnor som frigörs vid kärnklyvning eller kärnreaktioner.
Kärnkraftsreaktor- en kärnreaktor vars huvudsakliga syfte är att generera energi.
Kärnreaktor- en kärnreaktor är en anordning utformad för att organisera en kontrollerad självförsörjande kedjereaktion - en sekvens av kärnklyvningsreaktioner, där fria neutroner frigörs, vilka är nödvändiga för klyvning av nya kärnor.
Snabb neutron kärnreaktor- Reaktorer skiljer sig avsevärt i neutronspektrumet - fördelningen av neutroner genom energi, och följaktligen i spektrumet av absorberade (som orsakar kärnklyvning) neutroner. Om kärnan inte innehåller lätta kärnor speciellt utformade för att bromsa till följd av elastisk spridning, beror praktiskt taget all avmattning på oelastisk spridning av neutroner av tunga och medelviktiga kärnor. Vart i mest av fission orsakas av neutroner med energier i storleksordningen tiotals och hundratals keV. Sådana reaktorer kallas snabba neutronreaktorer.
Kärnreaktor på termiska neutroner- en reaktor vars kärna innehåller en sådan mängd moderator - ett material utformat för att minska neutronernas energi utan märkbar absorption, att de flesta klyvningar orsakas av neutroner med energier mindre än 1 eV.
kärnkrafter- krafter som håller nukleoner (protoner och neutroner) i kärnan.
Kärnkrafter är kort avstånd . De uppträder endast på mycket små avstånd mellan nukleoner i kärnan i storleksordningen 10 -15 m. Längden (1,5 - 2,2) 10 -15 kallas kärnkraftsområdet .
Kärnkrafter upptäcker avgiftsoberoende d.v.s. attraktionen mellan två nukleoner är densamma oberoende av nukleonernas laddningstillstånd - proton eller neutron.
Kärnkrafter har mättnadsegenskap , vilket visar sig i det faktum att nukleonen i kärnan endast interagerar med ett begränsat antal närliggande nukleoner närmast den. Nästan fullständig mättnad av kärnkrafter uppnås i α-partikeln, vilket är en mycket stabil formation.
kärnkrafter beror på orienteringen av spinnen hos de interagerande nukleonerna . Detta är bekräftat annan karaktär spridning av neutroner genom molekyler av orto- och ångaväte.
kärnkrafter är inte centrala .
- Översättning
I centrum av varje atom finns kärnan, en liten samling partiklar som kallas protoner och neutroner. I den här artikeln kommer vi att studera naturen hos protoner och neutroner, som består av ännu mindre partiklar - kvarkar, gluoner och antikvarkar. (Gluoner, som fotoner, är deras egna antipartiklar.) Kvarkar och gluoner kan, så vitt vi vet, vara verkligt elementära (odelbara och inte sammansatta av något mindre). Men till dem senare.
Överraskande nog har protoner och neutroner nästan samma massa - upp till en procentandel:
- 0,93827 GeV/c 2 för en proton,
- 0,93957 GeV/c2 för en neutron.
Eftersom de är så lika, och eftersom dessa partiklar utgör kärnor, kallas protoner och neutroner ofta som nukleoner.
Protoner identifierades och beskrevs runt 1920 (även om de upptäcktes tidigare; kärnan i en väteatom är bara en enda proton), och neutroner hittades runt 1933. Att protoner och neutroner är så lika varandra förstod man nästan omedelbart. Men det faktum att de har en mätbar storlek jämförbar med storleken på kärnan (cirka 100 000 gånger mindre än en atom i radie) var inte känt förrän 1954. Att de är uppbyggda av kvarkar, antikvarkar och gluoner förstod man gradvis från mitten av 1960-talet till mitten av 1970-talet. I slutet av 70-talet och början av 80-talet hade vår förståelse av protoner, neutroner och vad de är gjorda av i stort sett lugnat sig, och har varit oförändrad sedan dess.
Nukleoner är mycket svårare att beskriva än atomer eller kärnor. Därmed inte sagt att atomer i princip är enkla, men man kan åtminstone utan att tveka säga att en heliumatom består av två elektroner i omloppsbana runt en liten heliumkärna; och heliumkärnan är en ganska enkel grupp av två neutroner och två protoner. Men med nukleoner är allt inte så enkelt. Jag skrev redan i artikeln "Vad är en proton, och vad har den inuti?" att atomen är som en elegant menuett, och nukleonen är som en vild fest.
Protonens och neutronens komplexitet verkar vara verklig och härrör inte från ofullständig fysisk kunskap. Vi har ekvationer som används för att beskriva kvarkar, antikvarkar och gluoner och de starka kärnkrafter som pågår mellan dem. Dessa ekvationer kallas QCD, från "quantum chromodynamik". Ekvationernas noggrannhet kan testas på olika sätt, bland annat genom att mäta antalet partiklar som förekommer vid Large Hadron Collider. Genom att koppla in QCD-ekvationerna i en dator och köra beräkningar på egenskaperna hos protoner och neutroner, och andra liknande partiklar (tillsammans kallade "hadroner"), får vi förutsägelser om egenskaperna hos dessa partiklar som väl närmar sig observationer gjorda i den verkliga världen . Därför har vi anledning att tro att QCD-ekvationerna inte ljuger, och att vår kunskap om protonen och neutronen är baserad på de korrekta ekvationerna. Men att bara ha de rätta ekvationerna är inte tillräckligt, eftersom:
- Enkla ekvationer kan ha mycket komplexa lösningar,
- Ibland går det inte att beskriva komplexa lösningar på ett enkelt sätt.
På grund av nukleonernas inneboende komplexitet måste du, läsaren, göra ett val: hur mycket vill du veta om komplexiteten som beskrivs? Oavsett hur långt du går kommer du sannolikt inte att vara nöjd: ju mer du lär dig, desto tydligare blir ämnet, men det slutliga svaret kommer att förbli detsamma - protonen och neutronen är mycket komplexa. Jag kan erbjuda dig tre nivåer av förståelse, med ökande detaljer; du kan sluta efter vilken nivå som helst och gå vidare till andra ämnen, eller så kan du dyka till den sista. Varje nivå väcker frågor som jag delvis kan svara på i nästa, men nya svar väcker nya frågor. I slutändan - som jag gör i professionella diskussioner med kollegor och avancerade studenter - kan jag bara hänvisa dig till data från verkliga experiment, olika inflytelserika teoretiska argument och datorsimuleringar.
Första nivån av förståelse
Vad är protoner och neutroner gjorda av?Ris. 1: en alltför förenklad version av protoner, bestående av endast två uppkvarkar och en nedåt, och neutroner, bestående av endast två nedkvarkar och en uppåt
För att förenkla saker anger många böcker, artiklar och webbplatser att protoner består av tre kvarkar (två upp och en ner) och ritar något som liknar en figur. 1. Neutronen är densamma, bara bestående av en upp- och två nerkvarkar. Denna enkla bild illustrerar vad vissa forskare trodde, mest på 1960-talet. Men det stod snart klart att denna synpunkt var alltför förenklad till den grad att den inte längre var korrekt.
Från mer sofistikerade informationskällor kommer du att lära dig att protoner består av tre kvarkar (två upp och en ner) som hålls samman av gluoner - och en bild som liknar fig. 2, där gluoner ritas som fjädrar eller strängar som håller kvarkar. Neutroner är likadana, med bara en uppkvarkar och två nedkvarkar.
Ris. 2: förbättring fig. 1 på grund av betoningen på viktig roll stark kärnkraft som håller kvar kvarkarna i protonen
Inte ett så dåligt sätt att beskriva nukleoner, eftersom det betonar den viktiga roll som den starka kärnkraften spelar, som håller kvarkar i en proton på bekostnad av gluoner (precis som fotonen, partikeln som utgör ljuset, är associerad med den elektromagnetiska tvinga). Men det är också förvirrande eftersom det inte riktigt förklarar vad gluoner är eller vad de gör.
Det finns skäl att gå vidare och beskriva saker som jag gjorde i : en proton består av tre kvarkar (två upp och en ner), ett gäng gluoner och ett berg av kvarkar-antikvarkar (mest upp och ner kvarkar) , men det finns några konstiga också). De flyger alla fram och tillbaka med mycket höga hastigheter (närmar sig ljusets hastighet); hela denna uppsättning hålls samman av den starka kärnkraften. Jag har visat detta i fig. 3. Neutroner är återigen samma, men med en upp- och två nedkvarkar; kvarken som har bytt ägande indikeras med en pil.
Ris. 3: mer realistisk, men fortfarande inte idealisk, skildring av protoner och neutroner
Dessa kvarkar, antikvarkar och gluoner springer inte bara fram och tillbaka, utan kolliderar också med varandra och förvandlas till varandra genom processer som partikelförintelse (där en kvark och en antikvark av samma typ förvandlas till två gluoner, eller vice). versa) eller absorption och emission av en gluon (där en kvark och en gluon kan kollidera och producera en kvark och två gluoner, eller vice versa).
Vad har dessa tre beskrivningar gemensamt:
- Två uppkvarkar och en nedkvarkar (plus något annat) för en proton.
- En upp-kvark och två ner-kvarkar (plus något annat) för en neutron.
- "Något annat" för neutroner är detsamma som "något annat" för protoner. Det vill säga nukleoner har "något annat" samma sak.
- Den lilla skillnaden i massa mellan protonen och neutronen uppträder på grund av skillnaden i massorna av nerkvarken och uppkvarken.
- för uppkvarkar är den elektriska laddningen 2/3 e (där e är laddningen för protonen, -e är laddningen för elektronen),
- dunkvarkar har en laddning på -1/3e,
- gluoner har en laddning på 0,
- vilken kvark som helst och dess motsvarande antikvark har en total laddning på 0 (till exempel har anti-down-kvarken en laddning på +1/3e, så down-kvarken och ner-antikvarken kommer att ha en laddning på –1/3 e +1/ 3 e = 0),
- total elektrisk laddning av protonen 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- neutronens totala elektriska laddning är 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- hur mycket "något annat" inuti nukleonen,
- vad gör den där
- varifrån kommer massan och massenergin (E = mc 2 , energin som finns där även när partikeln är i vila) från nukleonen.
Ris. 1 säger att kvarkar i själva verket representerar en tredjedel av en nukleon - ungefär som en proton eller en neutron representerar en fjärdedel av en heliumkärna eller 1/12 av en kolkärna. Om denna bild var sann skulle kvarkarna i nukleonen röra sig relativt långsamt (med hastigheter mycket lägre än ljusets hastighet) med relativt svaga krafter som verkar mellan dem (om än med någon kraftfull kraft som håller dem på plats). Kvarks massa, upp och ner, skulle då vara i storleksordningen 0,3 GeV/c 2 , ungefär en tredjedel av en protons massa. Men det här är en enkel bild, och idéerna den påtvingar är helt enkelt felaktiga.
Ris. 3. ger en helt annan uppfattning om protonen, som en kittel av partiklar som susar genom den med hastigheter nära ljusets hastighet. Dessa partiklar kolliderar med varandra, och i dessa kollisioner förintar en del av dem och andra skapas i deras ställe. Gluoner har ingen massa, de övre kvarkarnas massor är cirka 0,004 GeV/c 2 , och massorna av de lägre kvarkarna är cirka 0,008 GeV/c 2 - hundratals gånger mindre än en proton. Var kommer protonens massenergi ifrån, frågan är komplex: en del av den kommer från massenergin hos kvarkar och antikvarkar, en del kommer från rörelseenergin hos kvarkar, antikvarkar och gluoner, och en del (kanske positiv, kanske negativ) från energin som lagras i den starka kärnväxelverkan, som håller kvarkar, antikvarkar och gluoner samman.
På sätt och vis, Fig. 2 försöker eliminera skillnaden mellan fig. 1 och fig. 3. Det förenklar riset. 3, tar bort många kvarka-antikvarkpar, som i princip kan kallas efemära, eftersom de ständigt uppstår och försvinner och inte är nödvändiga. Men det ger intrycket att gluonerna i nukleonerna är en direkt del av den starka kärnkraft som håller fast protonerna. Och det förklarar inte var protonens massa kommer ifrån.
Vid fig. 1 har en annan nackdel, förutom protonens och neutronens smala ramar. Det förklarar inte några av egenskaperna hos andra hadroner, såsom pion och rho meson. Samma problem finns i fig. 2.
Dessa restriktioner har lett till att jag ger mina elever och på min hemsida en bild från fig. 3. Men jag vill varna dig för att den också har många begränsningar, som jag kommer att överväga senare.
Det bör noteras att den extrema komplexiteten hos strukturen, antydd i fig. 3 kan förväntas från ett föremål som hålls samman av en så kraftfull kraft som den starka kärnkraften. Och en sak till: tre kvarkar (två upp och en ner för en proton) som inte ingår i en grupp kvarka-antikvarkar kallas ofta för "valenskvarkar", och par av kvark-antikvarkar kallas ett "hav av kvargpar." Ett sådant språk är tekniskt bekvämt i många fall. Men det ger det felaktiga intrycket att om man kunde titta in i protonen och titta på en viss kvark, så kunde man direkt se om den var en del av havet eller en valens. Detta kan inte göras, det finns helt enkelt inget sådant sätt.
Protonmassa och neutronmassa
Eftersom massorna av protonen och neutronen är så lika, och eftersom protonen och neutronen endast skiljer sig åt när det gäller att ersätta en uppkvark med en nedkvark, verkar det troligt att deras massor tillhandahålls på samma sätt, kommer från samma källa , och deras skillnad ligger i den lilla skillnaden mellan upp- och nerkvarkar. Men de tre figurerna ovan visar att det finns tre väldigt olika syn på protonmassans ursprung.Ris. 1 säger att upp- och nedkvarkarna helt enkelt utgör 1/3 av protonens och neutronens massa: cirka 0,313 GeV/c 2 , eller på grund av den energi som behövs för att kvarhålla kvarkarna i protonen. Och eftersom skillnaden mellan massorna av en proton och en neutron är en bråkdel av en procent, måste skillnaden mellan massorna av en upp och ner kvark också vara en bråkdel av en procent.
Ris. 2 är mindre tydlig. Vilken del av massan av en proton finns på grund av gluoner? Men i princip följer det av figuren att det mesta av protonens massa fortfarande kommer från massan av kvarkar, som i fig. ett.
Ris. 3 återspeglar ett mer subtilt förhållningssätt till hur protonens massa faktiskt uppstår (som vi kan verifiera direkt genom datorberäkningar av protonen, och inte direkt med andra matematiska metoder). Det skiljer sig mycket från idéerna som presenteras i fig. 1 och 2, och det visar sig inte vara så enkelt.
För att förstå hur detta fungerar måste man inte tänka i termer av protonens massa m, utan i termer av dess massenergi E = mc 2 , energin som är förknippad med massa. Konceptuellt rätt fråga det blir inte ”var kom protonmassan m ifrån”, varefter man kan räkna ut E genom att multiplicera m med c 2, utan tvärtom: ”varifrån kommer energin i protonmassan E”, varefter man kan beräkna massan m genom att dividera E med c 2 .
Det är användbart att klassificera bidrag till protonmassans energi i tre grupper:
A) Massenergin (viloenergi) för kvarkarna och antikvarkar som finns i den (gluoner, masslösa partiklar, ger inget bidrag).
B) Rörelseenergi (kinetisk energi) hos kvarkar, antikvarkar och gluoner.
C) Interaktionsenergin (bindande energi eller potentiell energi) lagrad i den starka kärnväxelverkan (mer exakt, i gluonfälten) som håller protonen.
Ris. 3 säger att partiklarna inuti protonen rör sig med hög hastighet, och att den är full av masslösa gluoner, så bidraget från B) är större än A). Vanligtvis i de flesta fysiska system B) och C) är jämförbara medan C) ofta är negativ. Så massenergin för protonen (och neutronen) härleds till största delen från kombinationen av B) och C), där A) bidrar med en liten del. Därför uppträder massorna av protonen och neutronen huvudsakligen inte på grund av massorna av partiklarna som finns i dem, utan på grund av dessa partiklars rörelseenergier och energin av deras interaktion associerad med gluonfälten som genererar krafterna som håller protonen. I de flesta andra system vi är bekanta med är balansen av energier annorlunda fördelad. Till exempel i atomer och i solsystemet dominerar A) medan B) och C) erhålls mycket mindre och är jämförbara i storlek.
Sammanfattningsvis påpekar vi att:
- Ris. 1 antyder att protonens massenergi kommer från bidraget A).
- Ris. 2 antyder att både bidrag A) och C) är viktiga och B) ger ett litet bidrag.
- Ris. 3 antyder att B) och C) är viktiga, medan bidraget från A) är försumbart.
Om fig. 3 inte ljuger, massorna av kvarken och antikvarken är mycket små. Hur är de egentligen? Massan av toppkvarken (liksom antikvarken) överstiger inte 0,005 GeV/c 2 , vilket är mycket mindre än 0,313 GeV/c 2 , vilket följer av fig. 1. (Massan av en uppkvark är svår att mäta och varierar på grund av subtila effekter, så den kan vara mycket mindre än 0,005 GeV/c2). Massan av bottenkvarken är ungefär 0,004 GeV/c 2 större än massan av den översta. Det betyder att massan av någon kvark eller antikvark inte överstiger en procent av massan av en proton.
Observera att detta betyder (i motsats till fig. 1) att förhållandet mellan massan av nerkvarken och uppkvarken inte närmar sig enhet! Dunkvarkens massa är minst dubbelt så stor som uppkvarkens. Anledningen till att massorna av neutronen och protonen är så lika är inte att massorna av upp- och nedkvarkar är lika, utan att massorna av upp- och nerkvarkar är mycket små - och skillnaden mellan dem är liten, relativ till massorna av protonen och neutronen. Kom ihåg att för att omvandla en proton till en neutron behöver du helt enkelt ersätta en av dess upp-kvarkar med en ned-kvark (Figur 3). Denna förändring är tillräckligt för att göra neutronen något tyngre än protonen och ändra dess laddning från +e till 0.
Förresten, det faktum att olika partiklar inuti en proton kolliderar med varandra, och ständigt dyker upp och försvinner, påverkar inte de saker vi diskuterar – energi sparas vid vilken kollision som helst. Massenergin och rörelseenergin hos kvarkar och gluoner kan förändras, liksom energin för deras interaktion, men protonens totala energi förändras inte, även om allt inuti den hela tiden förändras. Så massan av en proton förblir konstant, trots dess inre virvel.
Vid det här laget kan du stanna och ta till dig informationen som tas emot. Fantastisk! Praktiskt taget all massa som finns i vanlig materia kommer från massan av nukleoner i atomer. Och det mesta av denna massa kommer från kaoset som är inneboende i protonen och neutronen - från rörelseenergin hos kvarkar, gluoner och antikvarkar i nukleoner och från energin i arbetet med starka kärnväxelverkan som håller nukleonen i hela dess tillstånd. Ja: vår planet, våra kroppar, vår andedräkt är resultatet av en så tyst och, tills nyligen, ofattbar pandemonium.
Alla naturens fysiska kroppar är byggda av en typ av materia som kallas materia. Ämnen delas in i två huvudgrupper - enkla och komplexa ämnen.
Sammansatta ämnen är ämnen som kan sönderdelas till andra enklare ämnen genom kemiska reaktioner. Till skillnad från komplex enkla ämnen kallas sådana som inte kan brytas kemiskt till ännu enklare ämnen.
Ett exempel på ett komplext ämne är vatten, som genom en kemisk reaktion kan sönderdelas till två andra, enklare ämnen – väte och syre. När det gäller de två sistnämnda kan de inte längre brytas kemiskt ned till enklare ämnen, och är därför enkla ämnen, eller med andra ord kemiska grundämnen.
Under 1800-talets första hälft fanns det ett antagande inom vetenskapen att de kemiska grundämnena är oföränderliga ämnen som inte har en gemensam relation med varandra. Den ryska vetenskapsmannen D. I. Mendeleev (1834 - 1907) avslöjade emellertid för första gången 1869 förhållandet mellan kemiska element, vilket visade att den kvalitativa egenskapen hos var och en av dem beror på dess kvantitativa egenskap - atomvikt.
Genom att studera egenskaperna hos kemiska element, märkte D. I. Mendeleev att deras egenskaper periodiskt upprepas beroende på deras atomvikt. Han visade denna periodicitet i form av en tabell, som ingick i vetenskapen under namnet "Mendeleevs periodiska system för grundämnen."
Nedan är det moderna periodiska systemet för kemiska grundämnen i Mendeleev.
atomer
Enligt moderna vetenskapsbegrepp består varje kemiskt element av en uppsättning av de minsta material (material) partiklar som kallas atomer.
En atom är den minsta del av ett kemiskt grundämne som inte längre kan brytas kemiskt ned till andra, mindre och enklare materialpartiklar.
Atomer av kemiska grundämnen av olika natur skiljer sig från varandra i sina fysikalisk-kemiska egenskaper, struktur, storlek, massa, atomvikt, självenergi och några andra egenskaper. Till exempel skiljer sig en väteatom kraftigt i sina egenskaper och struktur från en syreatom, och den senare från en uranatom, etc.
Det har fastställts att atomerna i kemiska grundämnen är extremt små i storlek. Om vi konventionellt antar att atomerna är sfäriska till formen, bör deras diametrar vara lika med hundra miljondelar av en centimeter. Till exempel är diametern på väteatomen - den minsta atomen i naturen - lika med en hundra miljondels centimeter (10 -8 cm), och diametrarna för de största atomerna, såsom uranatomen, överstiger inte tre hundra miljondelar av en centimeter (3 10 -8 cm). Följaktligen är en väteatom lika många gånger mindre än en boll med en radie på en centimeter, hur mycket den senare är mindre än jordklotet.
I enlighet med atomernas mycket lilla storlek är deras massa också mycket liten. Till exempel är massan av en väteatom m = 1,67 10 -24 g. Det betyder att ett gram väte innehåller ungefär 6 10 23 atomer.
1/16 av en syreatoms vikt tas som en konventionell måttenhet för kemiska grundämnens atomvikter. I enlighet med denna atomvikt av ett kemiskt element kallas ett abstrakt tal som visar hur många gånger vikten av ett givet kemiskt element är större än 1/16 av vikten av en syreatom.
PÅ periodiska systemet grundämnen av D. I. Mendeleev, atomvikterna för alla kemiska grundämnen anges (se numret placerat under grundämnets namn). Från denna tabell ser vi att den lättaste atomen är väteatomen, som har en atomvikt på 1,008. Atomvikten för kol är 12, syre är 16, och så vidare.
När det gäller de tyngre kemiska elementen överstiger deras atomvikt atomvikten för väte med mer än tvåhundra gånger. Så den atomära vert av kvicksilver är 200,6, radium - 226, etc. Ju högre ordningen på antalet som upptas av ett kemiskt element i det periodiska systemet av element, desto större är atomvikten.
De flesta av atomvikterna för kemiska grundämnen uttrycks som bråktal. Detta förklaras till viss del av att sådana kemiska grundämnen består av en uppsättning av hur många sorters atomer som har olika atomvikt, men samma kemiska egenskaper.
Kemiska grundämnen som upptar samma antal i det periodiska systemet av grundämnen, och därför har samma kemiska egenskaper men olika atomvikter, kallas isotoper.
Isotoper finns i de flesta kemiska grundämnen, den har två isotoper, kalcium - fyra, zink - fem, tenn - elva, etc. Många isotoper erhålls genom konst, några av dem är av stor praktisk betydelse.
Elementära partiklar av materia
Under lång tid trodde man att atomerna av kemiska element är gränsen för materiens delbarhet, det vill säga som om universums elementära "tegelstenar". modern vetenskap förkastade denna hypotes och slog fast att atomen i något kemiskt element är en samling av ännu mindre materialpartiklar än själva atomen.
Enligt den elektroniska teorin om materiens struktur är en atom av vilket kemiskt element som helst ett system som består av en central kärna runt vilken "elementära" verkliga partiklar som kallas elektroner kretsar. Atomernas kärnor, enligt allmänt accepterade åsikter, består av en uppsättning "elementära" materialpartiklar - protoner och neutroner.
För att förstå strukturen hos atomer och de fysikalisk-kemiska processerna i dem är det nödvändigt att åtminstone kortfattat bekanta dig med huvudegenskaperna hos de elementära partiklarna som utgör atomer.
Bestämde det En elektron är en materialpartikel som har den minsta negativa elektriska laddning som observerats i naturen..
Om vi villkorligt antar att elektronen som en partikel har en sfärisk form, så bör elektrondiametern vara lika med 4 · 10 -13 cm, dvs den är tiotusentals gånger mindre än diametern på någon atom.
En elektron, som alla andra materialpartiklar, har massa. "Vilomassan" för en elektron, det vill säga massan som den har i ett tillstånd av relativ vila, är lika med m o \u003d 9,1 10 -28 g.
Den exceptionellt lilla "vilomassan" hos elektronen indikerar att elektronens inerta egenskaper är extremt svaga, vilket gör att elektronen under påverkan av en variabel elektrisk kraft kan svänga i rymden med en frekvens på många miljarder perioder per sekund.
En elektrons massa är så liten att det skulle ta 1027 enheter för att få ett gram elektroner. Att ha åtminstone någon fysisk uppfattning om detta är kolossalt. stora nummer Låt oss ta ett exempel. Om ett gram elektroner kunde placeras i en rät linje nära varandra skulle de bilda en fyra miljarder kilometer lång kedja.
Massan av en elektron, som alla andra verkliga mikropartiklar, beror på hastigheten på dess rörelse. En elektron, som befinner sig i ett tillstånd av relativ vila, har en "vilomassa", som är av mekanisk natur, som massan hos vilken fysisk kropp som helst. När det gäller elektronens "rörelsemassa", som ökar med tillväxten av dess rörelsehastighet, är den av elektromagnetiskt ursprung. Det beror på närvaron av en rörlig elektron elektromagnetiskt fält som någon sorts materia med massa och elektromagnetisk energi.
Ju snabbare elektronen rör sig, desto mer manifesteras tröghetsegenskaperna för dess elektromagnetiska fält, desto större blir därför massan av den senare och följaktligen dess elektromagnetiska energi. Eftersom elektronen med dess elektromagnetiska fält utgör ett enda, organiskt sammankopplat materialsystem är det naturligt att massan av rörelsen hos elektronens elektromagnetiska fält direkt kan hänföras till själva elektronen.
En elektron har, förutom egenskaperna hos en partikel, också vågegenskaper. Det har konstaterats av erfarenhet att flödet av elektroner, liksom ljusflödet, fortplantar sig i form av en vågliknande rörelse. Naturen hos elektronflödets vågrörelse i rymden bekräftas av fenomenen interferens och diffraktion av elektroniska vågor.
Elektroninterferensär fenomenet superposition av elektroniska testamenten på varandra, och elektrondiffraktion- detta är fenomenet avrundning av kanterna på en smal slits av elektronvågor genom vilka elektronflödet passerar. Därför är en elektron inte bara en partikel, utan en "partikelvåg", vars längd beror på elektronens massa och hastighet.
Det har konstaterats att elektronen, förutom sin translationella rörelse, också utför roterande rörelse runt sin axel. Denna typ av elektronrörelse kallas "spin" (från det engelska ordet "spin" - spindel). Som ett resultat av en sådan rörelse får elektronen, förutom de elektriska egenskaperna på grund av den elektriska laddningen, även magnetiska egenskaper, som liknar en elementär magnet i detta avseende.
En proton är en materialpartikel som har en positiv elektrisk laddning som i absoluta värde är lika med en elektrons elektriska laddning.
Protonmassan är 1,67 · tio-24 g, dvs den är ungefär 1840 gånger större än elektronens "vilomassa".
Till skillnad från elektronen och protonen, Neutronen har ingen elektrisk laddning, det vill säga den är en elektriskt neutral "elementär" partikel av materia. Massan av en neutron är praktiskt taget lika med massan av en proton.
Elektroner, protoner och neutroner, som är sammansatta av atomer, interagerar med varandra. I synnerhet är elektroner och protoner ömsesidigt attraherade till varandra som partiklar med motsatta elektriska laddningar. Samtidigt stöts en elektron från en elektron och en proton från en proton bort som partiklar med samma elektriska laddningar.
Samverkan mellan alla dessa elektriskt laddade partiklar sker genom deras elektriska fält. Dessa fält är en speciell typ av materia, som består av en uppsättning elementära materialpartiklar som kallas fotoner. Varje foton har en strikt definierad inneboende mängd energi (energikvantum).
Interaktionen mellan elektriskt laddade materialmaterialpartiklar utförs genom att byta ut dem med varandra med fotoner. Samverkanskraften mellan elektriskt laddade partiklar brukar kallas elektrisk kraft.
Neutroner och protoner i atomernas kärnor interagerar också med varandra. Denna växelverkan mellan dem utförs dock inte längre genom ett elektriskt fält, eftersom neutronen är en elektriskt neutral partikel av materia, utan genom det så kallade kärnfältet.
Detta fält är också en speciell typ av materia, som består av en uppsättning elementära materialpartiklar som kallas mesoner. Interaktionen mellan neutroner och protoner utförs genom att utbyta mesoner med varandra. Kraften av interaktion mellan neutroner och protoner med varandra kallas kärnkraft.
Det har konstaterats att kärnkrafter verkar i atomernas kärnor inom extremt små avstånd - cirka 10 - 13 cm.Kärnkrafterna är mycket större än de elektriska krafterna för den ömsesidiga repulsionen av protoner i en atoms kärna. Detta leder till det faktum att de inte bara kan övervinna krafterna för ömsesidig avstötning av protoner inuti atomkärnorna, utan också att skapa mycket starka system av kärnor från hela protoner och neutroner.
Stabiliteten hos kärnan i varje atom beror på förhållandet mellan två motstridiga krafter - kärnkraft (ömsesidig attraktion av protoner och neutroner) och elektriska (ömsesidig repulsion av protoner).
Kraftfulla kärnkrafter som verkar i atomernas kärnor bidrar till omvandlingen av neutroner och protoner till varandra. Dessa omvandlingar av neutroner och protoner utförs som ett resultat av frisättning eller absorption av lättare elementarpartiklar, såsom mesoner.
De partiklar vi har övervägt kallas elementära eftersom de inte består av en samling andra, enklare partiklar av materia. Men samtidigt får vi inte glömma att de är kapabla att förvandlas till varandra, uppstå på bekostnad av varandra. Således är dessa partiklar några komplexa formationer, d.v.s. deras elementaritet är villkorad.
Atomers kemiska struktur
Den enklaste atomen i sin struktur är väteatomen. Den består av en uppsättning av endast två elementarpartiklar - en proton och en elektron. Protonen i väteatomens system spelar rollen som den centrala kärnan, runt vilken elektronen roterar i en viss bana. På fig. 1 visar schematiskt en modell av en väteatom.
Ris. 1. Schema över väteatomens struktur
Denna modell är bara en grov uppskattning av verkligheten. Faktum är att elektronen som en "partikelvåg" inte har en volym skarpt avgränsad från den yttre miljön. Och det betyder att vi inte ska tala om någon exakt linjär bana för elektronen, utan om ett slags elektronmoln. I det här fallet upptar elektronen oftast en viss mittlinje i molnet, som är en av dess möjliga banor i atomen.
Det måste sägas att själva elektronens omloppsbana inte är strikt oförändrad och orörlig i atomen - den utför också, på grund av förändringen i elektronens massa, en viss rotationsrörelse. Följaktligen är rörelsen hos en elektron i en atom relativt komplex. Eftersom kärnan i väteatomen (protonen) och elektronen som roterar runt den har motsatta elektriska laddningar, attraheras de ömsesidigt.
Samtidigt utvecklar elektronens energi, som roterar runt atomkärnan, en centrifugalkraft som tenderar att ta bort den från kärnan. Följaktligen, elektrisk kraftömsesidig attraktion av kärnan av en atom och en elektron, och centrifugalkraft som verkar på en elektron är motstridiga krafter.
Vid jämvikt intar deras elektron en relativt stabil position i någon omloppsbana i atomen. Eftersom massan av en elektron är mycket liten, för att balansera attraktionskraften till en atoms kärna, måste den rotera med en enorm hastighet, lika med cirka 6 x 10 15 varv per sekund. Det betyder att en elektron i väteatomens system, precis som vilken annan atom som helst, rör sig längs sin bana med en linjär hastighet som överstiger tusen kilometer per sekund.
Under normala förhållanden roterar en elektron i en atom av släktet längs omloppsbanan närmast kärnan. Samtidigt har den minsta möjliga mängd energi. Om elektronen av en eller annan anledning, till exempel under påverkan av några andra materialpartiklar som har invaderat atomens system, flyttar sig till en bana längre bort från atomen, kommer den redan att ha en något större mängd energi.
Elektronen stannar dock i denna nya bana under en försumbar tid, varefter den återigen roterar till den bana som är närmast atomkärnan. Med detta drag avger han ett överskott av sin energi i form av ett kvantum av elektromagnetisk strålning - strålande energi(Fig. 2).
Ris. 2. En elektron, när den förflyttas från en avlägsen bana till en som är närmare kärnan i en atom, avger ett kvantum av strålningsenergi
Ju mer energi en elektron får utifrån, desto längre bort från atomkärnan går den till omloppsbanan och desto mer elektromagnetisk energi utstrålar den när den roterar till omloppsbanan närmast kärnan.
Genom att mäta mängden energi som emitteras av en elektron under övergången från olika banor till den som är närmast atomkärnan, var det möjligt att fastställa att en elektron i väteatomens system, som i alla andra atomers system, kan inte gå till någon godtycklig bana, till en strikt definierad bana i enlighet med den energi som han får under handlingen yttre kraft. De banor som en elektron kan uppta i en atom kallas tillåtna banor.
Eftersom den positiva laddningen av kärnan i väteatomen (protonladdning) och den negativa laddningen av elektronen är numeriskt lika, är deras totala laddning noll. Detta betyder att väteatomen, som är i normalt tillstånd, är en elektriskt neutral partikel.
Detta gäller för atomer av alla kemiska element: en atom av vilket kemiskt element som helst i dess normala tillstånd är en elektriskt neutral partikel på grund av den numeriska likheten mellan dess positiva och negativa laddningar.
Eftersom endast en "elementär" partikel, protonen, ingår i väteatomens kärna, är det så kallade masstalet för denna kärna lika med en. Massantalet för kärnan i en atom av något kemiskt element är det totala antalet protoner och neutroner som utgör denna kärna.
Naturligt väte består huvudsakligen av en samling atomer med ett masstal lika med ett. Men den innehåller också en annan typ av väteatomer, med ett masstal lika med två. Atomkärnorna i detta tunga väte, som kallas deuteroner, består av två partiklar - en proton och en neutron. Denna isotop av väte kallas deuterium.
Naturligt väte innehåller mycket lite deuterium. För varje sextusen atom av lätt väte (masstalet är ett) finns det bara en atom av deuterium (tungt väte). Det finns en annan isotop av väte - supertungt väte som kallas tritium. I kärnorna i atomen i denna isotop av väte finns tre partiklar: en proton och två neutroner, bundna till varandra av kärnkrafter. Massantalet för tritiumatomens kärna är tre, dvs tritiumatomen är tre gånger tyngre än den lätta väteatomen.
Även om väteisotopers atomer har olika massa, har de fortfarande samma kemiska egenskaper, till exempel lätt väte, som går in i kemisk interaktion med syre, bildas med det komplex substans- vatten. På liknande sätt bildar isotopen av väte - deuterium, i kombination med syre, vatten, som, till skillnad från vanligt vatten, kallas tungt vatten. Tungt vatten är till stor nytta vid produktion av kärnkraft (atomenergi).
Följaktligen beror de kemiska egenskaperna hos atomer inte på massan av deras kärnor, utan bara på strukturen hos atomens elektronskal. Eftersom atomerna av lätt väte, deuterium och tritium har samma nummer elektroner (en för varje atom), dessa isotoper har samma kemiska egenskaper.
Det är ingen slump att det kemiska grundämnet väte upptar den första siffran i det periodiska systemet av grundämnen. Faktum är att mellan antalet av alla element i det periodiska systemet av element och värdet på laddningen av kärnan i en atom av detta element, finns det ett samband. Det kan formuleras så här: serienumret för varje kemiskt element i det periodiska systemet av element är numeriskt lika med den positiva laddningen av kärnan i detta element, och följaktligen med antalet elektroner som roterar runt det.
Eftersom väte upptar den första siffran i det periodiska systemet av element, betyder detta att den positiva laddningen av kärnan i dess atom är lika med en och att en elektron roterar runt kärnan.
Det kemiska elementet helium upptar det andra numret i det periodiska systemet av element. Detta betyder att den har en positiv elektrisk laddning av kärnan, lika med två enheter, det vill säga att det ska finnas två protoner i kärnan och två elektroder i atomens elektronskal.
Naturligt helium består av två isotoper - tungt och lätt helium. Massantalet för tungt helium är fyra. Detta innebär att sammansättningen av kärnan i en tung heliumatom, utöver ovanstående två protoner, måste innehålla ytterligare två neutroner. När det gäller lätt helium är dess massnummer lika med tre, det vill säga, förutom två protoner, måste dess kärna innehålla en neutron till.
Det har fastställts att i naturligt helium är antalet lätta heliumatomer ungefär en miljondel av de tunga geniatomerna. På fig. 3 visar en schematisk modell av en heliumatom.
Ris. 3. Schema över heliumatomens struktur
Ytterligare komplikation av strukturen hos atomer av kemiska grundämnen uppstår på grund av en ökning av antalet protoner och neutroner i kärnorna i dessa atomer och samtidigt på grund av en ökning av antalet elektroner som kretsar runt kärnorna (fig. 4). . Utnyttja periodiska systemet grundämnen är det lätt att bestämma antalet elektroner, protoner och neutroner som utgör olika atomer.
Ris. 4. Schema för strukturen hos atomkärnorna: 1 - helium, 2 - kol, 3 - syre
Serienumret för ett kemiskt element är lika med antalet protoner i en atoms kärna, och samtidigt med antalet elektroner som kretsar runt kärnan. När det gäller atomvikten är den ungefär lika med atomens massnummer, det vill säga antalet protoner och neutroner sammantagna i kärnan. Genom att subtrahera från ett grundämnes atomvikt ett tal lika med grundämnets ordningsnummer kan man därför bestämma hur många neutroner som finns i en given kärna.
Det har fastställts att kärnorna av lätta kemiska grundämnen, som innehåller lika protoner och neutroner, kännetecknas av mycket hög styrka, eftersom kärnkrafterna i dem är relativt stora. Till exempel är kärnan i en tung heliumatom exceptionellt stark, eftersom den är sammansatt av två protoner och två neutroner bundna till varandra av kraftfulla kärnkrafter.
Atomkärnorna av tyngre kemiska element innehåller redan i sin sammansättning ett ojämnt antal protoner och neutroner, därför är deras bindning i kärnan svagare än i kärnorna hos lätta kemiska element. Kärnorna i dessa grundämnen kan relativt lätt delas när de bombarderas med atomära "projektiler" (neutroner, heliumatomens kärnor, etc.).
När det gäller de tyngsta kemiska grundämnena, särskilt radioaktiva, kännetecknas deras kärnor av så låg styrka att de spontant sönderfaller till sina beståndsdelar. Till exempel sönderfaller atomer av det radioaktiva grundämnet radium, som består av en kombination av 88 protoner och 138 neutroner, spontant och förvandlas till atomer av det radioaktiva grundämnet radon. De senares atomer bryts i sin tur ner i beståndsdelar och går över till atomer av andra element.
Kort bekant med beståndsdelar kärnor av atomer av kemiska element, överväg strukturen hos atomernas elektronskal. Som bekant kan elektroner kretsa kring atomkärnor endast i strikt definierade banor. Dessutom är de så grupperade i elektronskalet hos varje atom att enskilda lager av elektroner kan urskiljas.
Varje lager kan innehålla antalet elektroner, som inte överstiger ett strikt definierat antal. Så, till exempel, i det första elektronskiktet närmast kärnan i en atom kan det finnas maximalt två elektroner, i det andra - inte mer än åtta elektroner, etc.
De atomer i vilka de yttre elektronlagren är helt fyllda har det mest stabila elektronskalet. Det betyder att denna atom håller fast alla sina elektroner och inte behöver ta emot en extra mängd av dem utifrån. Till exempel har en heliumatom två elektroner som helt fyller det första elektronlagret, och en neonatom har tio elektroner, varav de två första helt fyller det första elektronlagret och resten - det andra (fig. 5).
Ris. 5. Schema över neonatomens struktur
Följaktligen har helium- och neonatomerna ganska stabila elektronskal, de försöker inte modifiera dem kvantitativt på något sätt. Sådana element är kemiskt inerta, det vill säga de går inte in i kemisk interaktion med andra element.
De flesta kemiska grundämnen har dock atomer där de yttre elektronlagren inte är helt fyllda med elektroner. Till exempel har en kaliumatom nitton elektroner, varav arton helt fyller de tre första skikten, och den nittonde elektronen är ensam i nästa, ofyllda elektronskikt. Svag fyllning av det fjärde elektronskiktet med elektroner leder till att atomkärnan mycket svagt håller den yttersta - den nittonde elektronen, och därför kan den senare lätt slitas ut ur atomen. .
Eller, till exempel, en syreatom har åtta elektroner, varav två helt fyller det första lagret, och de återstående sex är belägna i det andra lagret. För att slutföra konstruktionen av det andra elektronskiktet i syreatomen saknar det alltså bara två elektroner. Därför håller syreatomen inte bara stadigt sina sex elektroner i det andra lagret, utan har också förmågan att attrahera två saknade elektroner till sig själv för att fylla sitt andra elektronlager. Han uppnår detta genom att kemisk förening med atomer av sådana element där de yttre elektronerna är svagt bundna till sina kärnor.
Kemiska element vars atomer inte har yttre elektronskikt helt fyllda med elektroner är som regel kemiskt aktiva, det vill säga de går lätt i kemisk interaktion.
Så elektroner i atomerna av kemiska element är ordnade i en strikt definierad ordning, och varje förändring i deras rumsliga arrangemang eller antal i elektronskalet hos en atom leder till en förändring i de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos den senare.
Likheten mellan antalet elektroner och protoner i en atoms system är anledningen till att dess totala elektriska laddning är lika med noll. Om likheten mellan antalet elektroner och protoner i en atoms system kränks, blir atomen ett elektriskt laddat system.
En atom i vars system motsatsens jämvikt elektriska laddningar på grund av det faktum att han förlorade en del av sina elektroner eller omvänt förvärvade ett överskott av dem, kallas en jon.
Omvänt, om en atom förvärvar ett visst överskott av elektroner, blir den en negativ jon. Till exempel, en kloratom, efter att ha fått en extra elektron, förvandlas till en enkelladdad negativ klorjon Cl-. Syreatomen, som fått två extra elektroner, förvandlas till en dubbelladdad negativ syrejon O osv.
En atom som har förvandlats till en jon blir ett elektriskt laddat system i förhållande till den yttre miljön. Och det betyder att atomen började ha ett elektriskt fält, tillsammans med vilket den utgör ett enda materialsystem och genom detta fält utför elektrisk interaktion med andra elektriskt laddade partiklar av materia - joner, elektroner, positivt laddade atomkärnor, etc.
Förmågan hos till skillnad från joner att ömsesidigt attrahera varandra är anledningen till att de är kemiskt kombinerade och bildar mer komplexa partiklar av materia - molekyler.
Sammanfattningsvis bör det noteras att dimensionerna av en atom är mycket stora jämfört med dimensionerna för de materialpartiklar som de är sammansatta av. Kärnan i den mest komplexa atomen, tillsammans med alla elektroner, upptar en miljarddel av atomens volym. En enkel beräkning visar att om en kubikmeter platina kunde komprimeras så hårt att intraatomära och interatomära utrymmen försvann, så skulle en volym lika med ungefär en kubikmillimeter erhållas.
