Сторінка 1


Заряд нейтрону дорівнює нулю. Отже, нейтрони не відіграють роль величині заряду ядра атома. Цій же величині дорівнює порядковий номер хрому.

Заряд протона qp e Заряд нейтрону дорівнює нулю.

Легко побачити, що при цьому заряд нейтрону дорівнює нулю, а протона 1, як і належить. Виходять усі баріони, що входять у два сімейства - вісімку та десятку. Мезони складаються з кварку та антикварку. Рисою позначаються антикварки; їхній електричний заряд відрізняється знаком від заряду відповідного кварка. У пі-мезон дивний кварк не входить, пі-мезони, як ми вже казали, - частки з дивністю та спином, рівними нулю.

Так як заряд протону дорівнює заряду електрона і заряд нейтрону дорівнює кулі, то якщо вимкнути сильний взаємодії, взаємодія протону з електромагнітним полемА буде звичайною взаємодією дираківської частки - Yp/V У нейтрону ж електромагнітна взаємодія була б відсутня.

Позначення: 67 - різницю зарядів електрона та протона; q – заряд нейтрона; qg - абсолютна величиназаряду електрона.


Ядро складається із заряджених позитивно елементарних частинок- протонів і не несуть заряду нейтронів.

В основу сучасних уявлень про будову матерії покладено твердження про існування атомів речовини, що складаються з позитивно заряджених протонів і не мають заряду нейтронів, що утворюють позитивно заряджене ядро, і негативно заряджених електронів, що обертаються навколо ядра. Енергетичні рівні електронів, згідно з цією теорією, носять дискретний характер, а втрата або придбання ними деякої додаткової енергії розглядається як перехід з одного дозволеного енергетичного рівня на інший. При цьому дискретний характер енергетичних електронних рівнів стає причиною того ж дискретного поглинання або випромінювання електроном енергії при переході з одного енергетичного рівня на інший.

Ми приймали, що заряд атома чи молекули повністю визначається скалярної сумою q Z (q Nqn, де Z - число пар електрон - протон, (q qp - qe - різницю зарядів електрона і протона, Л - число нейтронів, a qn - заряд нейтрону).

Заряд ядра визначається лише числом протонів Z, яке масове число А збігається з повним числом протонів і нейтронів. Оскільки заряд нейтрону дорівнює нулю, електрична взаємодія за законом Кулона між двома нейтронами, а також протоном і нейтроном відсутня. У той самий час між двома протонами діє електрична сила відштовхування.


Далі, в межах точності вимірювань, жодного разу не було зареєстровано жодного процесу зіткнення, при якому не дотримувався закон збереження заряду. Наприклад, неухильність нейтронів в однорідних електричних полях дозволяє розглядати заряд нейтрону як рівний нулю з точністю до 1 (Н7 заряду електрона.

Ми вже говорили, що відмінність магнітного моменту протона від одного ядерного магнетону є дивовижним результатом. Ще більш дивовижним (є існування магнітного моменту у не має заряду нейтрона.

Легко переконатися, що ці сили не зводяться до жодного з типів сил, розглянутих у попередніх частинах курсу фізики. Справді, якщо припустити, наприклад, між нуклонами в ядрах діють гравітаційні сили, то легко підрахувати за відомими масами протона і нейтрону, що енергія зв'язку на одну частинку виявиться нікчемною - вона буде у 1036 разів менше тієїяка спостерігається експериментально. Відпадає також припущення про електричний характер ядерних сил. Справді, у разі неможливо уявити собі стійкого ядра, що з одного зарядженого протона і має заряду нейтрона.

Міцний зв'язок, що існує між нуклонами в ядрі, свідчить про наявність в атомних ядрах особливих так званих ядерних сил. Легко переконатися, що ці сили не зводяться до жодного з типів сил, розглянутих у попередніх частинах курсу фізики. Справді, якщо припустити, наприклад, що між нуклонами в ядрах діють гравітаційні сили, то легко підрахувати за відомими масами протона і нейтрона, що енергія зв'язку на одну частинку виявиться нікчемною - вона буде в 1038 разів меншою від тієї, що спостерігається експериментально. Відпадає також припущення про електричний характер ядерних сил. Справді, у разі неможливо уявити собі стійкого ядра, що з одного зарядженого протона і має заряду нейтрона.

Поговоримо про те, як знайти протони, нейтрони та електрони. В атомі існує три види елементарних частинок, причому кожна має свій елементарний заряд, масу.

Будова ядра

Для того щоб зрозуміти, як знайти протони, нейтрони та електрони, представимо Воно є основною частиною атома. Усередині ядра розташовуються протони і нейтрони, які називаються нуклонами. Усередині ядра ці частинки можуть переходити одна в одну.

Наприклад, щоб знайти протони, нейтрони та електрони необхідно знати його порядковий номер. Якщо врахувати, що цей елемент очолює періодичну систему, то його ядрі міститься один протон.

Діаметр атомного ядрастановить десятитисячну частку всього обсягу атома. У ньому зосереджена переважна більшість всього атома. По масі ядро ​​перевищує у тисячі разів суму всіх електронів, що є в атомі.

Характеристика частинок

Розглянемо, як знайти протони, нейтрони та електрони в атомі, і дізнаємося про їх особливості. Протон - це відповідає ядру атома водню. Його маса перевищує електрон у 1836 разів. Для визначення одиниці електрики, що проходить через провідник із заданим поперечним перерізом, використовують електричний заряд.

У кожного атома в ядрі розташовується певна кількість протонів. Воно є постійною величиною, характеризує хімічні та Фізичні властивостіцього елемента.

Як знайти протони, нейтрони та електрони в атомі вуглецю? Порядковий номер цього хімічного елемента 6, отже, у ядрі міститься шість протонів. Відповідно до планетарної навколо ядра орбітами рухається шість електронів. Для визначення кількість нейтронів значення вуглецю (12) віднімаємо кількість протонів (6), отримуємо шість нейтронів.

Для атома заліза число протонів відповідає 26, тобто цей елемент має 26 порядковий номер у таблиці Менделєєва.

Нейтрон є електрично нейтральною частинкою, нестабільною у вільному стані. Нейтрон здатний мимоволі перетворюватися на позитивно заряджений протон, випускаючи при цьому антинейтрино і електрон. Середній періодйого напіврозпаду становить 12 хвилин. Масове число - це сумарне значення кількості протонів та нейтронів усередині ядра атома. Спробуємо з'ясувати, як знайти протони, нейтрони та електрони в іоні? Якщо атом під час хімічної взаємодіїз іншим елементом набуває позитивний ступіньокислення, то число протонів і нейтронів у ньому не змінюється, менше стає лише електронів.

Висновок

Існувала кілька теорій, що стосуються будови атома, але жодна з них не була життєздатною. До версії, створеної Резерфордом, був детального пояснення про розташування всередині ядра протонів і нейтронів, і навіть про обертанні круговими орбітами електронів. Після появи теорії планетарної будови атома у дослідників з'явилася можливість не лише визначати кількість елементарних частинок в атомі, а й передбачати фізичні та Хімічні властивостіконкретний хімічний елемент.

  • Переклад

У центрі кожного атома знаходиться ядро, крихітний набір частинок під назвою протони та нейтрони. У цій статті ми вивчимо природу протонів та нейтронів, що складаються з частинок ще дрібнішими за розміром – кварків, глюонів та антикварків. (Глюони, як і фотони є античастинками самі собі). Кварки і глюони, наскільки нам відомо, можуть бути по-справжньому елементарними (неподільними і такими, що не складаються, дрібніші за розміром). Але до них згодом.

Як не дивно, у протонів та нейтронів маса майже однакова – з точністю до відсотка:

  • 0,93827 ГеВ/с 2 у протона,
  • 0,93957 ГеВ/с 2 у нейтрону.
Це ключ до їхньої природи – вони насправді дуже схожі. Так, між ними існує одна очевидна відмінність: у протона позитивний електричний заряд, а у нейтрона заряду немає (він нейтральний, звідси його назва). Відповідно, електричні силидіють перший, але з другий. На перший погляд ця відмінність здається дуже важливою! Але насправді це негаразд. В інших сенсах протон з нейтроном майже близнюки. Вони ідентичні як маси, а й внутрішнє будова.

Оскільки вони такі схожі, і оскільки з цих частинок складаються ядра, протони і нейтрони часто називають нуклонами.

Протони ідентифікували та описали приблизно 1920 року (хоча відкриті вони були раніше; ядро ​​атома водню – це просто окремий протон), а нейтрони знайшли десь 1933-го. Те, що протони і нейтрони такі схожі один на одного, зрозуміли майже відразу. Але те, що вони мають вимірний розмір, порівнянний із розміром ядра (приблизно в 100 000 разів менше атома по радіусу), не знали до 1954-го. Те, що вони складається з кварків, антикварків та глюонів, поступово розуміли з середини 1960-х до середини 1970-х. До кінця 70-х і початку 80-х наше розуміння протонів, нейтронів, і того, з чого вони складаються, здебільшого устаканилося, і відтоді залишається незмінним.

Нуклони описати набагато складніше, ніж атоми чи ядра. Не сказати, що атоми в принципі прості, але принаймні можна сказати, не роздумуючи, що атом гелію складається з двох електронів, що знаходяться на орбіті навколо крихітного ядра гелію; а ядро ​​гелію – досить проста група з двох нейтронів та двох протонів. А ось із нуклонами все вже не так просто. Я вже писав у статті "Що таке протон, і що в нього всередині?", Атом схожий на елегантний менует, а нуклон - на дику вечірку.

Складність протона і нейтрона, зважаючи на все, справжні, і не випливають з неповних фізичних знань. У нас є рівняння, які використовуються для опису кварків, антикварків та глюонів, а також сильних ядерних взаємодій, що відбуваються між ними. Ці рівняння називаються КХД, від "квантової хромодинаміки". Точність рівнянь можна перевіряти різними способами, включаючи вимірювання кількості частинок, що з'являються на Великому адронному колайдері. Підставляючи рівняння КХД в комп'ютер і запускаючи обчислення властивостей протонів та нейтронів та інших подібних частинок (з загальною назвою«адрони»), ми отримуємо передбачення властивостей цих частинок, що добре наближаються до спостережень, зроблених у реальному світі. Тому ми маємо підстави вважати, що рівняння КХД не брешуть, і що наше знання протона і нейтрону ґрунтується на вірних рівняннях. Але просто мати правильні рівняннянедостатньо, бо:

  • У простих рівняньможуть виявитися дуже складні рішення,
  • Іноді неможливо описати складні рішення у простий спосіб.
Наскільки ми можемо судити, саме така ситуація з нуклонами: це складні рішення щодо простих рівнянь КХД, і описати їх парою слів або картинок неможливо.

Через внутрішню складність нуклонів вам, читачу, доведеться зробити вибір: як багато ви хочете дізнатися з приводу описаної складності? Неважливо, як далеко ви зайдете, задоволення це вам, швидше за все, не принесе: чим більше ви дізнаватиметеся, тим зрозуміліше вам ставатиме тема, але підсумкова відповідь залишиться тим самим – протон і нейтрон дуже складні. Я можу запропонувати вам три рівні розуміння зі збільшенням деталізації; Ви можете зупинитися після будь-якого рівня і перейти на інші теми, або можете занурюватися до останнього. Щодо кожного рівня виникають питання, відповіді на які можу частково дати в наступному, але нові відповіді викликають нові питання. У результаті – як я роблю у професійних обговореннях з колегами та просунутими студентами – я можу лише надіслати вас до даних отриманих у реальних експериментах, до різних впливових теоретичних аргументів, та комп'ютерних симуляцій.

Перший рівень розуміння

З чого складаються протони та нейтрони?

Мал. 1: надмірно спрощена версія протонів, що складаються тільки з двох верхніх кварків і одного нижнього, і нейтронів, що складаються тільки з двох нижніх кварків і одного верхнього

Щоб спростити справу, у багатьох книгах, статтях та на сайтах зазначено, що протони складаються з трьох кварків (двох верхніх та одне нижнього) та малюють щось на кшталт рис. 1. Нейтрон такий самий, що тільки складається з одного верхнього та двох нижніх кварків. Це просте зображення ілюструє те, у що вірили деякі вчені, переважно у 1960-х. Але незабаром стало зрозуміло, що ця точка зору надмірно спрощена настільки, що вже не є коректною.

З більш досвідчених джерел інформації ви дізнаєтеся, що протони складається з трьох кварків (двох верхніх та одного нижнього), які утримуються разом глюонами – і там може з'явитися картинка, схожа на рис. 2 де глюони намальовані у вигляді пружинок або ниток, що утримують кварки. Нейтрони такі самі, тільки з одним верхнім кварком і двома нижніми.


Мал. 2: покращення рис. 1 за рахунок акценту на важливій ролі сильної ядерної взаємодії, що утримує кварки в протоні

Не такий поганий спосіб опису нуклонів, оскільки він робить акцент на важливій ролі сильної ядерної взаємодії, що утримує кварки в протоні за рахунок глюонів (точно так само, як з електромагнітною взаємодією пов'язаний фотон, частка, з яких складається світло). Але це теж збиває з пантелику, оскільки насправді не пояснює, що таке глюони і що вони роблять.

Є причини рухатися далі і описувати речі так, як я робив у: протон складається з трьох кварків (двох верхніх та одного нижнього), купи глюонів і гори пар кварк-антикварк (в основному це верхні та нижні кварки, але є і кілька дивних) . Всі вони літають туди і сюди з дуже великою швидкістю (наближаючись до швидкості світла); весь цей набір утримується за допомогою сильної ядерної взаємодії. Я продемонстрував це на рис. 3. Нейтрони знову такі самі, але з одним верхнім і двома нижніми кварками; Кварк, що змінив належність, вказаний стрілкою.


Мал. 3: більш реалістичне, хоча все одно неідеальне зображення протонів та нейтронів

Ці кварки, антикварки і глюони не тільки шалено носяться туди-сюди, але і стикаються один з одним, і перетворюються один на одного через такі процеси, як анігіляція частинок (у якій кварк і антикварк одного типу перетворюються на два глюони, або навпаки) або поглинання та випромінювання глюону (в якому можуть зіткнутися кварк і глюон і породити кварк і два глюони, або навпаки).

Що у цих трьох описівзагального:

  • Два верхні кварки та нижній кварк (плюс щось ще) біля протона.
  • Один верхній кварк і два нижні кварки (плюс ще щось) у нейтрона.
  • "Ще щось" у нейтронів збігається з "ще чимось" у протонів. Тобто у нуклонів «ще щось» однакове.
  • Невелика різниця в масі у протона та нейтрону з'являється через різницю мас нижнього кварка і верхнього кварка.
І, оскільки:
  • у верхніх кварків електричний заряд дорівнює 2/3 e (де e – заряд протона, -e – заряд електрона),
  • у нижніх кварків заряд дорівнює -1/3e,
  • у глюонів заряд 0,
  • у будь-якого кварку та відповідного йому антикварка загальний заряд дорівнює 0 (наприклад, у антинижнього кварка заряд +1/3e, так що у нижнього кварка та нижнього антикварка заряд буде –1/3 e +1/3 e = 0),
Кожен малюнок відносить електричний заряд протона на рахунок двох верхніх і одного нижнього кварка, а ще щось додає до заряду 0. Так само у нейтрона заряд нульовий завдяки одному верхньому і двом нижнім кваркам:
  • загальний електричний заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
  • загальний електричний заряд нейтрону 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
Розрізняються ці описи в наступному:
  • скільки «ще чогось» усередині нуклону,
  • що воно там робить,
  • звідки беруться маса та енергія маси (E = mc 2 , енергія, присутня там, навіть коли частка спочиває) нуклону.
Оскільки більшість маси атома, і, отже, всієї звичайної матерії, міститься в протонах і нейтронах, останній пункт дуже важливий для правильного розуміння нашої природи.

Мал. 1 говорить про те, що кварки, по суті, є третиною нуклону - приблизно так, як протон або нейтрон представляють чверть ядра гелію або 1/12 ядра вуглецю. Якби цей малюнок був правдивий, кварки в нуклоні рухалися б відносно повільно (зі швидкостями набагато меншими за світлову) слабкими взаємодіями, що діють між ними (хоча і за наявності якоїсь потужної сили, що утримує їх на місці). Маса кварку, верхнього і нижнього, становила б тоді близько 0,3 ГеВ/с 2 приблизно третину маси протона. Але це просте зображення і ідеї, що їм нав'язуються, просто невірні.

Мал. 3. дає зовсім інше уявлення про протон, як про казан частинок, що снують у ньому зі швидкостями, близькими до світловий. Ці частинки стикаються один з одним, і в цих зіткненнях деякі з них анігілюють, інші створюються на їх місці. Глюони немає маси, маси верхніх кварків становлять порядку 0,004 ГеВ/с 2 , а нижніх – порядку 0,008 ГеВ/с 2 - у сотні разів менше протона. Звідки береться енергія маси протона, питання складне: частина її йде від енергії маси кварків та антикварків, частина – від енергії руху кварків, антикварків та глюонів, а частина (можливо, позитивна, можливо, негативна) з енергії, що зберігається у сильній ядерній взаємодії, утримує кварки, антикварки та глюони разом.

У певному сенсі рис. 2 намагається усунути різницю між рис. 1 та рис. 3. Він спрощує рис. 3 видаляючи безліч пар кварк-антикварк, які, в принципі, можна назвати ефемерними, оскільки вони постійно виникають і зникають, і не є необхідними. Але вона справляє враження того, що глюони в нуклонах є безпосередньою частиною сильної ядерної взаємодії, що утримує протони. І вона не пояснює, звідки береться маса протону.

У рис. 1 є інший недолік, крім вузьких рамок протону та нейтрону. Вона не пояснює деякі властивості інших адронів, наприклад, півонії та ро-мезону. Ті ж проблеми є і рис. 2.

Ці обмеження і призвели до того, що своїм студентам і на моєму сайті я даю картинку з рис. 3. Але хочу попередити, що і вона має безліч обмежень, які я розгляну пізніше.

Варто відзначити, що надзвичайну складність будови, яка має на увазі рис. 3, варто було очікувати від об'єкта, який утримує разом така потужна сила, як сильна ядерна взаємодія. І ще одне: три кварки (два верхні і один нижній у протона), що не є частиною групи пар кварків-антикварків, часто називають «валентними кварками», а пари кварків-антикварків – «морем кваркових пар». Така мова у багатьох випадках технічно зручна. Але він дає хибне враження того, що якби ви змогли заглянути всередину протона, і подивилися на певний кварк, ви відразу змогли б сказати, чи є він частиною моря чи валентним. Цього зробити не можна, такого способу немає.

Маса протону та маса нейтрону

Оскільки маси протона і нейтрону так схожі, і оскільки протон і нейтрон відрізняються тільки заміною верхнього кварка нижнім, здається ймовірним, що їх маси забезпечуються тим самим способом, виходять з одного джерела, і їх різниця полягає в невеликій відмінності між верхнім і нижнім кварками . Але три наведені малюнки говорять про наявність трьох дуже різних поглядів на походження маси протона.

Мал. 1 говорить про те, що верхній і нижній кварки просто складають по 1/3 від маси протона і нейтрону: близько 0,313 ГеВ/с 2 або через енергію, необхідну для утримання кварків в протоні. І оскільки різниця між масами протона та нейтрону становить частку відсотка, різниця між масами верхнього та нижнього кварку теж має становити частку відсотка.

Мал. 2 менш зрозумілий. Яка частина маси протону існує завдяки глюона? Але, в принципі, з малюнка випливає, що більшість маси протона все одно походить від маси кварків, як на рис. 1.

Мал. 3 відображає більш тонкий підхід до того, як насправді з'являється маса протона (як ми можемо перевірити безпосередньо через комп'ютерні обчислення протона, і безпосередньо з використанням інших математичних методів). Він дуже відрізняється від ідей, представлених на рис. 1 і 2, і виявляється не таким простим.

Щоб зрозуміти, як це працює, потрібно думати не в термінах маси протона m, але в термінах його енергії маси E = mc 2 енергії, пов'язаної з масою. Концептуально правильним питанням буде «звідки взялася маса протона m», після якого ви можете підрахувати E, помноживши m на c 2 , а навпаки: «звідки береться енергія маси протона E», після якого можна підрахувати масу m, розділивши E на c 2 .

Корисно класифікувати внески в енергію маси протона за трьома групами:

А) Енергія маси (енергія спокою) кварків і антикварків, що містяться в ньому (глюони, безмасові частинки, ніякого вкладу не роблять).
Б) Енергія руху ( кінетична енергія) кварків, антикварків та глюонів.
В) Енергія взаємодії (енергія зв'язку або потенційна енергія), що зберігається у сильній ядерній взаємодії (точніше, у глюонних полях), що утримують протон.

Мал. 3 говорить про те, що частинки всередині протона рухаються з великою швидкістю, і що в ньому повно безмасових глюонів, тому внесок Б більше А). Зазвичай, у більшості фізичних систем Б) та В) виявляються порівнянними, причому В) часто негативно. Так що енергія маси протона (і нейтрону) в основному виходить із комбінації Б) та В), а А) вносить малу частку. Тому маси протона і нейтрону з'являються в основному не через мас частинок, що містяться в них, а через енергій руху цих частинок і енергії їх взаємодії, пов'язаної з глюонними полями, що породжують сили, що утримують протон. У більшості інших знайомих нам систем баланс енергій розподілено по-іншому. Наприклад, в атомах та в Сонячної системидомінує А), а Б) і В) виходять набагато менше, і можна порівняти за величиною.

Підбиваючи підсумки, зазначимо, що:

  • Мал. 1 передбачає, що енергія маси протона походить із вкладу А).
  • Мал. 2 передбачає, що важливі обидва внески А) і В), і трохи своєї частки вносить Б).
  • Мал. 3 передбачає, що важливі Б) та В), а внесок А) виявляється незначним.
Нам відомо, що вірний рис. 3. Для його перевірки ми можемо провести комп'ютерні симуляції, і, що важливіше, завдяки різним переконливим теоретичним аргументам, ми знаємо, що якби маси верхнього та нижнього кварків були нульовими (а решта залишилося, як є), маса протона практично не змінилася б. Отже, зважаючи на все, маси кварків не можуть робити важливі вклади в масу протона.

Якщо рис. 3 не бреше, маси кварку і антикварка дуже малі. Які вони насправді? Маса верхнього кварку (як і антикварка) вбирається у 0,005 ГеВ/с 2 , що набагато менше, ніж 0,313 ГеВ/с 2 , що випливає з рис. 1. (Масу верхнього кварка важко виміряти, і це значення змінюється через тонкі ефекти, так що вона може виявитися набагато меншою, ніж 0,005 ГеВ/с 2). Маса нижнього кварку приблизно на 0,004 ГеВ/с 2 більша за масу верхнього. Це означає, що маса будь-якого кварку чи антикварка не перевищує одного відсотка маси протона.

Зверніть увагу, що це означає (суперечливо рис. 1), що відношення маси нижнього кварку до верхнього не наближається до одиниці! Маса нижнього кварку як мінімум вдвічі перевищує масу верхнього. Причина того, що маси нейтрону і протона такі схожі, не в тому, що схожі маси верхнього і нижнього кварків, а в тому, що маси верхнього і нижнього кварків дуже малі - і різниця між ними мала, по відношенню до мас протону і нейтрону. Згадайте, що для перетворення протона на нейтрон, вам потрібно просто замінити один з його верхніх кварків на нижній (рис. 3). Цієї заміни достатньо для того, щоб зробити нейтрон трохи важчим за протон, і поміняти його заряд з +е на 0.

До речі, той факт, що різні частинки всередині протона стикаються один з одним, і постійно з'являються і зникають, не впливає на речі, які ми обговорюємо – енергія зберігається в будь-якому зіткненні. Енергія маси та енергія руху кварків і глюонів може змінюватися, як і енергія їхньої взаємодії, але загальна енергія протона не змінюється, хоча все всередині нього постійно змінюється. Так що маса протона залишається постійною, незважаючи на його внутрішній вихор.

На цьому моменті можна зупинитися та ввібрати отриману інформацію. Вражаюче! Практично вся маса, що міститься у звичайній матерії, походить із маси нуклонів в атомах. І більшість цієї маси походить з хаосу, властивого протону і нейтрону – з енергії руху кварків, глюонів і антикварків в нуклонах, і з роботи сильних ядерних взаємодій, утримують нуклон у цілому стані. Так: наша планета, наші тіла, наше дихання є результатом такого тихого, і, донедавна, неймовірного стовпотворіння.

Щойно трапляється зустрітися з невідомим предметом, то обов'язково виникає меркантильно-життєве питання – а скільки це важить. А от якщо це невідоме – елементарна частка, що тоді? А нічого, питання залишається тим самим: яка ж маса цієї частки. Якби хтось зайнявся підрахунком витрат, понесених людством для задоволення своєї цікавості на дослідження, точніше, виміру, маси елементарних частинок, то ми б дізналися, що, наприклад, маса нейтрона в кілограмах з дивовижною кількістю нулів після коми, обійшлося людству дорожче, чим найдорожче будівництво з такою самою кількістю нулів до коми.

А починалося все дуже буденно: у керованій Дж. Дж. Томсоном лабораторії 1897 р. проводилися дослідження катодних променів. В результаті було визначено універсальну константу для Всесвіту - величина відношення маси електрона до його заряду. До визначення маси електрона залишилося зовсім небагато – визначити його заряд. За 12 років зумів це зробити. Він проводив експерименти з краплями масла, що падають в електричному полі, і йому вдалося не тільки врівноважити їх вагу величиною поля, але й провести необхідні та надзвичайно тонкі вимірювання. Їх результат – чисельне значення маси електрона:

me = 9,10938215 (15) * 10-31кг.

До цього часу належать і дослідження структури, де першопрохідником був Ернест Резерфорд. Саме він, спостерігаючи за розсіянням заряджених частинок, запропонував модель атома із зовнішньою електронною оболонкою та позитивним ядром. Частка, якій була запропонована роль ядра найпростішого атома, виходила при бомбардуванні азоту Це була перша ядерна реакція, отримана в лабораторії - в результаті з азоту виходив кисень і ядра майбутніх названих протонами. Однак, альфа-промені складаються зі складних частинок: крім двох протонів вони містять ще два нейтрони. Маса нейтрона майже рівна і загальна маса альфа-частинки виходить цілком солідною для того, щоб зруйнувати зустрічне ядро ​​і відколоти від нього «шматочок», що і сталося.

Потік позитивних протонів відхилявся електричним полем, компенсуючи його відхилення, викликане У цих експериментах визначити масу протона не складало труднощів. Але найцікавішим було питання, яке співвідношення мають маса протона і електрона. Загадка була вирішена: маса протона перевищує масу електрона трохи більше, ніж 1836 разів.

Отже, спочатку модель атома передбачалася, за Резерфордом, як електронно-протонний комплект з однаковим числом протонів і електронів. Однак незабаром виявилося, що первинна ядерна модель в повному обсязі визначає всі спостережувані ефекти по взаємодіям елементарних частинок. Лише у 1932 році підтвердив гіпотезу про додаткові частки у складі ядра. Їх назвали нейтронами, нейтральними протонами, т.к. вони мали заряду. Саме ця обставина зумовлює їхню велику проникаючу здатність - вони не витрачають свою енергію на іонізацію зустрічних атомів. Маса нейтрона дуже трохи перевищує масу протона - всього приблизно на 2,6 електронних маси більше.

Хімічні властивості речовин та сполук, що утворюються даним елементом, визначаються числом протонів у ядрі атома. Згодом підтвердилася участь протону в сильних та інших фундаментальних взаємодіях: електромагнітному, гравітаційному та слабкому. При цьому, незважаючи на те, що заряду нейтрону немає, при сильних взаємодіях протон і нейтрон розглядають як елементарну частинку нуклон у різних квантових станах. Частково подібність поведінки цих частинок пояснюється й тим, що маса нейтрона дуже мало відрізняється від маси протона. Стабільність протонів дозволяє використовувати їх, попередньо прискоривши до високих швидкостей як бомбардуючих частинок для здійснення ядерних реакцій.

§1. Знайомтесь: електрон, протон, нейтрон

Атоми - дрібні частинкиречовини.
Якщо збільшити до розмірів Земної кулі яблуко середньої величини, То атоми стануть розміром лише з яблуко. Незважаючи на такі малі розміри, атом складається з ще дрібніших фізичних частинок.
З будовою атома ви повинні бути вже знайомі з шкільного курсуфізики. І все-таки нагадаємо, що у складі атома є ядро ​​та електрони, які обертаються навколо ядра так швидко, що стають нерозрізняними – утворюють " електронна хмара", або електронну оболонкуатома.

Електрониприйнято позначати так: e − . Електрони e− дуже легкі, майже невагомі, зате мають негативнийелектричний заряд. Він дорівнює -1. Електричний струм, Якими всі ми користуємося - це потік електронів, що біжить у дротах.

Ядро атома, в якому зосереджена майже вся його маса, складається з частинок двох сортів – нейтронів та протонів.

Нейтронипозначають так: n 0 , а протонитак: p + .
За масою нейтрони та протони майже однакові - 1,675 · 10 -24 г та 1,673 · 10 -24 г.
Щоправда, вважати масу таких маленьких частинок у грамах дуже незручно, тому її виражають у вуглецевих одиницях, Кожна з яких дорівнює 1,673 · 10 -24 р.
Для кожної частки одержують відносну атомну масу, рівну приватному від розподілу маси атома (у грамах) на масу вуглецевої одиниці. Відносні атомні маси протона і нейтрону дорівнюють 1, а ось заряд у протонів позитивний і дорівнює +1, тоді як у нейтронів заряду немає.

. Загадки про атом


Атом можна зібрати "в умі" з частинок, як іграшку чи машинку з деталей дитячого конструктора. Треба тільки при цьому дотримуватися двох важливих умов.

  • Перша умова: кожному виду атомів відповідає свій власний набір"деталей" - елементарних частинок. Наприклад, в атомі водню обов'язково буде ядро ​​з позитивним зарядом +1, отже, в ньому неодмінно має бути один протон (і не більше).
    В атомі водню можуть бути нейтрони. Про це - у наступному параграфі.
    Атом кисню (порядковий номер у Періодичною системоюдорівнює 8) матиме ядро, заряджене вісьмоюпозитивними зарядами (+8), - отже, там вісім протонів. Оскільки маса атома кисню дорівнює 16 відносних одиниць, щоб одержати ядро ​​кисню, додамо ще 8 нейтронів.
  • Друга умоваполягає в тому, щоб кожен атом виявився електронейтральним. Для цього в ньому має бути електронів стільки, щоб урівноважити заряд ядра. Інакше кажучи, число електронів в атомі дорівнює числу протоніву його ядрі, а також порядковому номеру цього елемента у Періодичній системі.