Протоны и нейтроны
Все
окружающие нас предметы состоят из молекул, которые, в свою очередь,
образуются из атомов, то есть мельчайших частиц химических элементов.
Несмотря на исключительно малые размеры, атомы представляют собой
весьма сложные образования, включающие центральное тяжелое ядро и
легкую оболочку из электронов, число которых обычно равно порядковому
номеру элемента в менделеевской периодической системе. В ядре
сосредоточена почти вся масса атома. Оно также имеет очень сложное
строение. Основными «кирпичиками», из которых построены ядра, являются
протоны и нейтроны.
Протон - это ядро атома водорода, самого легкого химического
элемента, занимающего в таблице Д. И. Менделеева первое место и в
соответствии с этим имеющего в электронной оболочке всего лишь один
электрон. Если ионизовать атом водорода, то есть удалить его
единственный электрон, то останется ядро, которое из-за отсутствия
оболочки можно назвать «голым» ядром и которое как раз и будет протоном
(от греческого слова «протос» - первый).
Протон - положительно заряженная частица, причем заряд его по
величине в точности равен заряду электрона. Масса протона выражается
цифрой в 1,6-10 -24 грамма.
Это значит, что масса тысячи миллионов протонов в 10 тысяч раз меньше
одной стомиллионной доли миллиграмма. И все же эта «элементарная»
частица относится к разряду «тяжелых», ибо масса ее в 1836,6 раза
больше массы электрона.
Очень невелики и размеры протона: его диаметр в 100 тысяч раз меньше
диаметра атома, равного примерно одной стомиллионной сантиметра.
Вследствие этого плотность вещества протона, несмотря на его ничтожно
малую массу, огромна. Если бы кубик с ребром в 1 миллиметр удалось
наполнить этими частицами так, чтобы они целиком заняли весь объем,
касаясь друг друга, то такой кубик весил бы 120 тысяч тонн! Конечно, в
действительности осуществить подобный эксперимент нельзя. Протоны,
будучи одноименно заряженными частицами, отталкиваются друг от друга, и
нужны колоссальные силы, чтобы сблизить их. Однако есть звезды, на
которых существуют условия, благоприятные для сравнительно близкого
подхода протонов друг к другу. Эти звезды (например, звезда ванн -
Маанена в созвездии Рыб) отличаются чрезвычайно высокой плотностью
вещества, хотя она, разумеется, в миллионы раз меньше, чем в
рассмотренном нами случае кубика, состоящего из одних протонов.
Тот факт, что в состав атомных ядер входят протоны, был доказан в
результате опытов, проведенных в 1919 году английским физиком
Резерфордом. В этих опытах он использовал поток быстрых альфа - частиц
(то есть ядер атомов гелия), образующихся в процессе радиоактивного
распада радия С. При бомбардировке альфа - частицами ядер азота
обнаружилось, что последние испускали какие-то быстрые частицы с
одновременным вылетом в противоположном направлении медленных тяжелых
частиц. При изучении этого явления в камере Вильсона было установлено,
что быстрые частицы представляют собой протоны, а медленные - ядра
кислорода. Выяснилось, что ядро азота, захватывая одну альфа - частицу,
преобразуется в ядро кислорода с испусканием одного протона.
Бомбардировка альфа - частицами ядер атомов других элементов
подтвердила наличие протонов и в этих ядрах.
Однако ядра (за исключением ядра водорода) не могут состоять
только из одних протонов. Действительно, ядро атома гелия, занимающего
второе место в таблице Д. И. Менделеева, имеет заряд, равный заряду
двух протонов, а его масса больше массы протона в четыре раза. Точно
так же заряд ядра кислорода равен восьми зарядам протона, а масса этого
ядра в шестнадцать раз больше массы протона. Объяснение такого
расхождения было найдено после открытия новой «элементарной» частицы -
так называемого нейтрона.
В 1930 году ученые установили, что при бомбардировке
альфа-частицами некоторых элементов (бериллия, бора и других)
появляется излучение из незаряженных частиц, способное проникать через
слой свинца сравнительно большей толщины (до 5 сантиметров). В 1931
году французские физики Ирэн и Фредерик Жолио - Кюри обнаружили, что
если на пути этого излучения поместить вещество, молекулы которого
содержат большое число водородных атомов (например, парафин), то из
него начинают вылетать протоны.
Можно было бы предположить, что вновь открытое излучение состоит
из фотонов. Однако для того, чтобы иметь возможность выбивать из
парафина протоны, эти фотоны должны были бы обладать энергией около 50
миллионов электрон вольт. В последнем случае они проникали бы через
значительно большие толщи свинца, чем наблюдалось на опыте (для
прохождения фотона через 5 сантиметров свинца нужна энергия всего лишь
в 5 миллионов электрон - вольт). Возникшее противоречие было решено в
результате работ английского ученого Чадвика. Он показал, что
вылетающие из парафина протоны, а также ядра, испускаемые под
воздействием неизвестного излучения другими атомами, движутся так,
будто они выбиты не фотоном, а тяжелой частицей, масса которой
приблизительно равна массе протона.
Таким образом, усилиями ряда физиков было установлено существование
незаряженной тяжелой частицы - нейтрона.
Масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, но в отличие от
протона (и электрона) его заряд равен нулю. Именно поэтому нейтроны
обладают способностью проникать через толстые слои свинца.
Незаряженная
частица может попасть внутрь атома, не испытывая ни отталкивания, ни
притяжения со стороны заряженных частиц (электронов и ядра) и не тратя
своей энергии на преодоление действия электрических сил, на ионизацию
атомов. Отсюда и путь нейтрона, в каком - либо веществе при прочих
равных условиях длиннее, чем, например, протона. Вследствие
неспособности нейтрона производить ионизацию его очень трудно заметить,
что явилось причиной сравнительно позднего обнаружения этой частицы.
Открытие нейтрона позволило понять, почему вес атомных ядер
превышает вес содержащихся в них протонов. Советские ученые Д. Д.
Иваненко и Е. Д. Гапон выдвинули идею о протоно - нейтронном строении
ядер, которая ныне является общепринятой. Согласно этой точке зрения, в
ядре гелия находятся, кроме двух протонов, еще два нейтрона, и поэтому
его заряд равен двум, а масса в четыре раза больше массы протона (или
почти равной ей массы нейтрона). Точно так же и в других ядрах, помимо
протонов, присутствуют нейтроны. При ядерных расщеплениях, вызываемых,
например, попаданием в ядро быстрой альфа-частицы, может происходить
испускание нейтронов. Этот процесс как раз и послужил первым указанием
на существование последних.
Не имеющий заряда нейтрон легко может проникать не только внутрь
атома, но даже и внутрь ядра. Попадание нейтрона в тяжелое ядро
приводит в ряде случаев к разрушению последнего, в результате чего
образуются более легкие ядра и выделяется весьма значительное
количество внутриядерной энергии. Свойство нейтронов производить
ядерные расщепления используется для получения атомной (правильнее было
бы сказать - ядерной) энергии.
Большая проникающая способность нейтронов, наряду со способностью
разрушать ядра, обусловливает их опасное действие на живые существа.
Достаточно мощный поток нейтронов, попав во внутренние части организма,
выбивает из ядер быстрые протоны и другие заряженные частицы, которые,
ионизуя встречающиеся на их пути атомы сложных органических молекул,
способствуют разложению последних и тем самым нарушению
жизнедеятельности растения или животного. Однако разрушительные
свойства нейтронов можно использовать для блага людей. Ведь именно с
помощью этих частиц ученые открыли прежде недоступные природные
кладовые внутриядерной энергии: Разбивая ядра, нейтроны высвобождают
эту энергию, которую у нас в Советском Союзе уже применяют в мирных
целях. Кроме того, некоторые химические элементы после бомбардировки
нейтронами превращаются в искусственные радиоактивные вещества,
находящие все более широкое распространение в медицине, при изучении
жизнедеятельности организмов методом меченых атомов, в технике и т. п.
В настоящее время существует много способов получения нейтронов,
необходимых для проведения различных исследований в области ядерной
физики и для ряда практических применений. Самым
старым из этих способов является изготовление так называемого радий -
бериллиевого источника. Стеклянный или металлический сосудик заполняют
порошком бериллия в смеси с какой-либо солью радия (например, бромистым
радием). При радиоактивном распаде из ядер радия вылетают
альфа-частицы, которые, взаимодействуя с ядрами бериллия, выбивают из
них нейтроны.
Последние благодаря большой проникающей способности свободно проходят
через стенки сосуда.
После изобретения специальных устройств - ускорителей
(циклотронов, фазотронов, синхрофазотронов и других), сообщающих
заряженным частицам большие энергии, появилась возможность получать
нейтроны искусственным путем. Для этого пучок ускоренных в циклотроне
или другой подобной машине заряженных тяжелых частиц, скажем, дейтронов
(ядер тяжелого водорода), направляют на мишень, сделанную из
определенного вещества (например, из лития). В результате из ядер
атомов мишени выбиваются нейтроны. Меняя энергию бомбардирующих мишень
«снарядов», можно получать нейтроны различной энергии.
Еще одним мощным источником тяжелых незаряженных частиц являются
ядерные реакторы (котлы), в которых осуществляются цепные реакции
деления тяжелых ядер. При этом образуется большое число нейтронов,
выходящих из котла наружу.
Нейтроны, как и другие «элементарные» частицы (электроны,
протоны), обладают волновыми свойствами. Пучок нейтронов, подобно свету
(потоку фотонов) 3, испытывает отражение, дифракцию, поляризуется и т.
п. Поэтому тяжелые незаряженные частицы можно использовать для изучения
строения кристаллов (путем их просвечивания нейтронным пучком) так же,
как используются рентгеновские лучи. Некоторую трудность представляет
регистрация нейтронов, ибо они не производят ионизации и потому нельзя
заметить их прохождения через камеру Вильсона, счетчик, ионизационную
камеру я другие приборы, применяющиеся обычно для обнаружения и счета
заряженных частиц. Не оставляют следов нейтроны и в фотоэмульсиях.
Однако свойство нейтронов разрушать ядра, вызывать ядерные реакции дает
нам в руки способ для регистрации этих частиц. В обычный счетчик или
ионизационную камеру добавляют газ, содержащий ядра бора. Нейтроны
расщепляют эти ядра, при этом вылетают альфа-частицы, создающие разряды
в счетчике или ионизационный ток в камере, что позволяет фиксировать
поток нейтронов. Можно воспользоваться для обнаружения нейтронов
фотоэмульсиями, к которым подмешаны соли лития или бара. При попадании
нейтрона в ядро атома какого - либо из этих элементов происходит
расщепление ядра с вылетом быстрой заряженной частицы, след которой
виден в фотоэмульсии.
Несмотря на то, что между протонами и нейтронами имеется
существенное различие, заключающееся в отсутствии заряда у последних, в
других отношениях они очень похожи друг на друга. Массы этих частиц
почти в точности равны, а их поведение внутри ядра (величина и характер
ядерных сил, действующих между протонами, между нейтронами и между теми
и другими) также примерно одинаково. Дело в том, что протоны, как
одноименно заряженные частицы, должны отталкиваться в ядре друг от
друга. Поскольку все же ядра существуют в виде устойчивых образований,
очевидно, что протоны удерживаются в них какими-то силами, превышающими
электростатические силы отталкивания. Оказалось, что эти специфические
ядерные силы действуют не только между протонами и между нейтронами, но
и связывают друг с другом частицы обоих этих видов. Это значит, что
протоны и нейтроны ядра определенным образом взаимодействуют друг с
другом (хотя физическая природа такого взаимодействия еще далеко не
выяснена).
Учеными было также обнаружено, что обе частицы могут превращаться друг
в друга. Так, в ядре происходит превращение нейтрона в протон с
испусканием отрицательно заряженного электрона и еще одной незаряженной
легкой частицы -нейтрино (масса нейтрино меньше 1:400 массы электрона).
Имеет место и другой процесс: протон в ядре переходит в нейтрон с
вылетом положительно заряженного электрона (позитрона) и нейтрино. Все
эти явления, наблюдаемые при распаде некоторых радиоактивных ядер,
получили одно общее название бета - распада.
С точки зрения теории бета - распада, нейтрон и протон ничем не
различаются: и тот и другой хорошо превращаются друг в друга. По этой
причине обе частицы нередко называют просто нуклонами. Следует, правда,
подчеркнуть, что если в ядре все нуклоны ведут себя по отношению к
бета- распаду одинаково, то в свободном состоянии, вне ядра, протоны и
нейтроны проявляют различные свойства. Протон сам по себе - устойчивая,
или, как говорят иначе, стабильная частица, в то время как свободный
нейтрон самопроизвольно распадается с периодом полураспада примерно в
20 минут. При этом он превращается в протон и испускает, как и при
распаде внутри ядра, электрон и нейтрино.
Различие между протоном и нейтроном в свободном состоянии
обусловлено рядом причин. Одной из них является то, что для превращения
протона в нейтрон нужно затратить значительную энергию (во всяком
случае большую, чем 1,9 миллиона электрон - вольт). Поскольку свободному
протону неоткуда позаимствовать эту энергию, он и представляет собой
стабильную частицу. Что же касается нейтрона, то он обладает большей
массой, чем протон, и, следовательно, большим запасом энергии. При
превращении нейтрона в протон выделяется приблизительно 800 тысяч
электронвольт энергии. Поэтому свободные нейтроны отличаются свойством
радиоактивности.
Протоны, нейтроны, нейтрино, так же как фотоны и электроны,
встречаются в космических лучах. В частности, протоны составляют так
называемую первичную компоненту космического излучения, то есть
приходят на Землю из межзвездного пространства. Разумеется, нейтроны,
которые в свободном состоянии превращаются в протоны, не могут
присутствовать в первичном излучении. Однако они образуются в атмосфере
при столкновении первичных протонов (и более тяжелых ядер) с ядрами
атомов азота, кислорода и других газов воздушной оболочки нашей
планеты. Протоны космических лучей обладают колоссальной энергией и
поэтому могут, несмотря на наличие положительного заряда, легко
проникать в ядра атомов. При столкновении нуклонов, обладающих такой
гигантской энергией, происходят процессы, которые не наблюдаются при
взаимодействии нуклонов меньшей энергии. Например, при таких
столкновениях происходит рождение новых частиц - мезонов различных
масс.
Описанные выше факты взаимодействия нуклонов в ядре совсем не
означают, будто нейтрон состоит из протона и электрона или, наоборот,
протон содержит в себе нейтрон и позитрон. Суть бета - распада
заключается именно в том, что нейтрон превращается в три другие частицы
(протон, электрон, нейтрино) или протон превращается в нейтрон,
позитрон и нейтрино. Эти процессы происходят при строгом соблюдении
законов сохранения энергии, массы, количества движения, заряда и т. п.
и убедительно свидетельствуют об изменчивости «элементарных» частиц и
наличии глубокой связи между ними.
Многим со школы хорошо известно, что все вещества состоял из атомы. Атомы в свою очередь состоят из протонов и нейтронов образующих ядро атомы и электронов, расположенных на некотором расстоянии от ядра. Многие также слышали, что свет тоже состоит из частиц – фотонов. Однако на этом мир частиц не ограничивается. На сегодняшний день известно более 400 различных элементарных частиц. Попробуем понять, чем элементарные частицы отличаются друг от друга.
Существует множество параметров, по которым можно отличить элементарные частицы друг от друга:
- Масса.
- Электрический заряд.
- Время жизни. Почти все элементарные частицы имеют конечное время жизни по истечении которого они распадаются.
- Спин. Его можно, весьма приближенно считать как вращательный момент.
Еще несколько параметров, или как их принято называть в науке квантовых чисел. Эти параметры не всегда имеют понятный физический смысл, но они нужны для того, чтобы отличать одни частицы от других. Все эти дополнительные параметры введены как некоторые величины, сохраняющиеся во взаимодействии.
Массой обладают почти все частицы, кроме фотоны и нейтрино (по последним данным нейтрино обладают массой, но столь малой, что часто ее считают нулем). Без массовые частицы могут существуют только в движении. Масса у всех частиц различна. Минимальной массой, не считая нейтрино, обладает электрон. Частицы, которые называются мезонами обладают массой в 300-400 раз большей массы электрона, протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее электрона. Сейчас уже открыты частицы, которые почти в 100 раз тяжелее протона. Масса,(или ее энергетический эквивалент по формуле Эйнштейна:
сохраняется во всех взаимодействиях элементарных частиц.
Электрическим зарядом обладают не все частицы, а значит что не все частицы способны участвовать в электромагнитном взаимодействии. У всех свободно существующих частиц электрический заряд кратен заряду электрона. Кроме свободно существующих частиц существуют также частицы, находящие только в связанном состоянии, о них мы скажем чуть позже.
Спин, как и другие квантовые числа у различных частиц различны и характеризуют их уникальность. Некоторые квантовые числа сохраняются в одних взаимодействиях, некоторые в других. Все эти квантовые числа определяют то, какие частицы взаимодействуют с какими и как.
Время жизни также очень важная характеристика частицы и ее мы рассмотрим наиболее подробно. Начнем с замечания. Как мы уже сказали в начале статьи – все что нас окружает состоит из атомов (электронов, протонов и нейтронов) и света (фотонов). А где же тогда еще сотни различных видов элементарных частиц. Ответ прост – всюду вокруг нас, но мы из не замечаем по двум причинам.
Первая из них – почти все остальные частицы живут очень мало, примерно 10 в минус 10 степени секунд и меньше, и потому не образовывают таких структур как атомы, кристаллические решетки и т.п. Вторая причина касается нейтрино, эти частицы хоть и не распадаются, но они подвержены только слабому и гравитационному взаимодействию. Это значит, что эти частицы взаимодействуют на столько незначительно, что обнаружить из почти невозможно.
Представим наглядно в чем выражается то, на сколько частица хорошо взаимодействуем. Например поток электронов можно остановить довольно тонким листом стали, порядка нескольких миллиметров. Это произойдет потому, что электроны сразу начнут взаимодействовать с частицами листа стали, будут резко менять свой направления, излучать фотоны, и таким образом довольно быстро потеряют энергию. С потоком нейтрино все не так, они почти без взаимодействий могут пройти насквозь Земного Шара. И потому обнаружить их очень тяжело.
Итак, большинство частиц живут очень короткое время, по истечении которого она распадаются. Распады частиц- наиболее часто встречающиеся реакции. В результате распада одна частица распадается на несколько других меньшей массы, а те в свою очередь распадаются дальше. Все распады подчиняются определенным правилам – законам сохранения. Так, например, в результате распада должен сохраняться электрический заряд, масса, спин и еще ряд квантовых чисел. Некоторые квантовые числа в ходе распада могут меняться, но тоже подчиняясь определенным правилам. Именно правила распада говорят нам о том, что электрон и протон это стабильные частицы. Они уже не могут распадаются подчиняясь правилам распада, и потому именно ими заканчиваются цепочки распада.
Здесь хочется сказать несколько слов о нейтроне. Свободный нейтрон тоже распадается, на протон и электрон примерно за 15 минут. Однако когда нейтрон находится в атомном ядре это не происходит. Этот факт можно объяснить различными способами. Например так, когда в ядре атома появляется электрон и лишний протон от распавшегося нейтрона, то тут же происходит обратная реакция – один из протонов поглощает электрон и превращается в нейтрон. Такая картина называется динамическим равновесием. Она наблюдалась в вселенной на ранней стадии ее развития вскоре после большого взрыва.
Кроме реакций распада есть еще реакции рассеяния – когда две или более частиц вступают во взаимодействие одновременно, и в результате получается одна или несколько других частиц. Также есть реакции поглощение, когда из двух или более частиц получается одна. Все реакции происходят в результате сильного слабого или электромагнитного взаимодействия. Реакции идущие за счет сильного взаимодействия идут быстрее всего, время такой реакции может достигать 10 в минус 20 секунды. Скорость реакций идущих за счет электромагнитного взаимодействия ниже, тут время может быть порядка 10 в минус 8 секунды. Для реакций слабого взаимодействия время может достигать десятков секунд а иногда и годы.
В завершении рассказа про частицы расскажем про кварки. Кварки – это элементарные частицы, имеющие электрический заряд кратный трети заряда электрона и которые не могут существовать в свободном состоянии. Их Взаимодействие устроено так, что они могут жить только в составе чего либо. Например комбинация из трех кварков определенного типа образуют протон. Другая комбинация дает нейтрон. Всего известно 6 кварков. Их различные комбинации дают нам разные частицы, и хотя далеко не все комбинации кварков разрешены физическими законами, частиц, составленных из кварков довольно много.
Здесь может возникнуть вопрос, как можно протон называть элементарным если он состоит из кварков. Очень просто – протон элементарен, так как его невозможно расщепить на составные части – кварки. Все частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии состоят из кварков, и при этом являются элементарными.
Понимание взаимодействий элементарных частиц очень важно для понимания устройства вселенной. Все что происходит с макро телами есть результат взаимодействия частиц. Именно взаимодействием частиц описываются рост деревьев на земле, реакции в недрах звезд, излучение нейтронных звезд и многое другое.
| Вероятности и квантовая механика | > |
Как только случается встретиться с неизвестным предметом, так обязательно возникает меркантильно-житейский вопрос - а сколько это весит. А вот если это неизвестное - элементарная частица, что тогда? А ничего, вопрос остается прежним: какая же масса этой частицы. Если бы кто-то занялся подсчетом затрат, понесенных человечеством для удовлетворения своего любопытства на исследования, точнее, измерения, массы элементарных частиц, то мы бы узнали, что, например, масса нейтрона в килограммах с умопомрачительным количеством нулей после запятой, обошлось человечеству дороже, чем самое дорогое строительство с таким же количеством нулей до запятой.
А начиналось все очень буднично: в руководимой Дж. Дж.Томсоном лаборатории в 1897 г. проводились исследования катодных лучей. В результате была определена универсальная константа для Вселенной - величина отношения массы электрона к его заряду. До определения массы электрона осталось совсем немного - определить его заряд. Через 12 лет сумел это сделать. Он проводил эксперименты с падающими в электрическом поле капельками масла, и ему удалось не только уравновесить их вес величиной поля, но и провести необходимые и чрезвычайно тонкие измерения. Их результат - численное значение массы электрона:
me = 9,10938215(15) * 10-31кг.
К этому времени относятся и исследования структуры где первопроходцем был Эрнест Резерфорд. Именно он, наблюдая за рассеянием заряженных частиц, предложил модель атома с внешней электронной оболочкой и положительным ядром. Частица, которой в была предложена роль ядра простейшего атома, получалась при бомбардировке азота Это была первая ядерная реакция, полученная в лаборатории - в ее результате из азота получался кислород и ядра будущих названных протонами. Однако, альфа-лучи состоят из сложных частиц: кроме двух протонов они содержат еще два нейтрона. Масса нейтрона почти равна и общая масса альфа-частицы получается вполне солидной для того, чтоб разрушить встречное ядро и отколоть от него «кусочек», что и случилось.
Поток положительных протонов отклонялся электрическим полем, компенсируя его отклонение, вызываемое В этих экспериментах определить массу протона уже не составляло труда. Но самым интересным был вопрос о том, какое соотношение имеют масса протона и электрона. Загадка была тут же решена: масса протона превышает массу электрона чуть больше, чем 1836 раз.
Итак, первоначально, модель атома предполагалась, по Резерфорду, как электронно-протонный комплект с одинаковым числом протонов и электронов. Однако совсем скоро оказалось, что первичная ядерная модель не полностью описывает все наблюдаемые эффекты по взаимодействиям элементарных частиц. Только в 1932 году подтвердил гипотезу о дополнительных частицах в составе ядра. Их назвали нейтронами, нейтральными протонами, т.к. они не имели заряда. Именно это обстоятельство обуславливает их большую проникающую способность - они не расходуют свою энергию на ионизацию встречных атомов. Масса нейтрона совсем незначительно превышает массу протона - всего примерно на 2,6 электронных массы больше.
Химические свойства веществ и соединений, которые образуются данным элементом, определяются числом протонов в ядре атома. Со временем подтвердилось участие протона в сильных и других фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном, гравитационном и слабом. При этом, несмотря на то, что заряд нейтрона отсутствует, при сильных взаимодействиях протон и нейтрон рассматривают как элементарную частицу нуклон в различных квантовых состояниях. Отчасти сходство поведения этих частиц объясняется и тем, что масса нейтрона очень мало отличается от массы протона. Стабильность протонов позволяет использовать их, предварительно ускорив до высоких скоростей, в качестве бомбардирующих частиц для осуществления ядерных реакций.
Глава первая. СВОЙСТВА СТАБИЛЬНЫХ ЯДЕР
Выше уже было сказано, что ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами. Если измерять массу ядра в атомных единицах массы, то она должна быть близка к массе протона, умноженной на целое число называемое массовым числом. Если заряд ядра а массовое число то это означает, что в состав ядра входит протонов и нейтронов. (Число нейтронов в составе ядра обозначается обычно через
Эти свойства ядра отражены в символических обозначениях, которые будут использованы в дальнейшем в виде
где X - название элемента, атому которого принадлежит ядро (например, ядра: гелия - , кислорода - , железа - урана
К числу основных характеристик стабильных ядер можно отнести: заряд, массу, радиус, механический и магнитный моменты, спектр возбужденных состояний, четность и квадрупольный момент. Радиоактивные (нестабильные) ядра дополнительно характеризуются временем жизни, типом радиоактивных превращений, энергией испускаемых частиц и рядом других специальных свойств, о которых будет сказано далее.
Прежде всего рассмотрим свойства элементарных частиц, из которых состоит ядро: протона и нейтрона.
§ 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТОНА И НЕЙТРОНА
Масса. В единицах массы электрона: масса протона масса нейтрона .
В атомных единицах массы: масса протона масса нейтрона
В энергетических единицах масса покоя протона масса покоя нейтрона
Электрический заряд. q - параметр, характеризующий взаимодействие частицы с электрическим полем, выражается в единицах заряда электрона где
Все элементарные частицы несут количество электричества, равное либо 0, либо Заряд протона Заряд нейтрона равен нулю.
Спин. Спины протона и нейтрона равны Обе частицы являются фермионами и подчиняются статистике Ферми-Дирака, а следовательно, и принципу Паули.
Магнитный момент. Если подставить в формулу (10), определяющую магнитный момент электрона вместо массы электрона массу протона, получим
Величина называется ядерным магнитоном. Можно было предположить по аналогии с электроном, что спиновый магнитный момент протона равен Однако опыт показал, что собственный магнитный момент протона больше ядерного магнетона: по современным данным
Кроме того, оказалось, что незаряженная частица - нейтрон - также имеет магнитный момент, отличный от нуля и равный
Наличие магнитного момента у нейтрона и столь большое значение магнитного момента у протона противоречат предположениям о точечности этих частиц. Ряд экспериментальных данных, полученных в последние годы, свидетельствует о том, что и протон и нейтрон обладают сложной неоднородной структурой. В центре нейтрона при этом находится положительный заряд, а на периферии равный ему по величине распределенный в объеме частицы отрицательный заряд. Но поскольку магнитный момент определяется не только величиной обтекающего тока, но и охватываемой им площадью, то создаваемые ими магнитные моменты не будут равны. Поэтому нейтрон может обладать магнитным моментом, оставаясь в целом нейтральным.
Взаимные превращения нуклонов. Масса нейтрона больше массы протона на 0,14%, или на 2,5 массы электрона,
В свободном состоянии нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино: Среднее время жизни его близко к 17 мин.
Протон - частица стабильная. Однако внутри ядра он может превращаться в нейтрон; при этом реакция идет по схеме
Разница в массах частиц, стоящих слева и справа, компенсируется за счет энергии, сообщаемой протону другими нуклонами ядра.
Протон и нейтрон имеют одинаковые спины, почти одинаковые массы и могут превращаться друг в друга. В дальнейшем будет показано, что и ядерные силы, действующие между этими частицами попарно, тоже одинаковы. Поэтому их называют общим наименованием - нуклон и говорят, что нуклон может находиться в двух состояниях: протон и нейтрон, отличающихся своим отношением к электромагнитному полю.
Нейтроны и протоны взаимодействуют благодаря существованию ядерных сил, имеющих неэлектрическую природу. Своим происхождением ядерные силы обязаны обмену мезонами. Если изобразить зависимость потенциальной энергии взаимодействия протона и нейтрона малых энергий от расстояния между ними то приближенно она будет иметь вид графика, представленного на рис. 5, а, т. е. имеет форму потенциальной ямы.
Рис. 5. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между нуклонами: а - для пар нейтрон - нейтрон или нейтрон - протон; б - для пары протон - протон
Водорода, элемента, который имеет наиболее простое строение. Оно имеет положительный заряд и практически неограниченное время жизни. Это самая стабильная частица во Вселенной. Протоны, образовавшиеся в результате Большого Взрыва, до сих пор не распались. Масса протона составляет 1,627*10-27 кг или 938,272 эВ. Чаще эту величину выражают в электронвольтах.
Протон был открыт «отцом» ядерной физики Эрнестом Резерфордом. Он выдвинул гипотезу о том, что ядра атомов всех химических элементов состоят из протонов, так как по массе они превышают ядро атома водорода в целое число раз. Резерфорд поставил интересный опыт. В те времена уже была открыта естественная радиоактивность некоторых элементов. С помощью альфа-излучения (альфа-частицы представляют собой ядра гелия с высокими энергиями) ученый облучал атомы азота. В результате такого взаимодействия вылетала частица. Резерфорд предположил, что это протон. Дальнейшие опыты в пузырьковой камере Вильсона подтвердили его предположение. Так в 1913 году была открыта новая частица, но гипотеза Резерфорда о составе ядра оказалась несостоятельной.
Открытие нейтрона
Великий ученый нашел ошибку в своих расчетах и выдвинул гипотезу о существовании еще одной частицы, входящей в состав ядра и обладающей практически той же массой, что и протон. Экспериментально он не смог ее обнаружить.
Это сделал в 1932 году сделал английский ученый Джеймс Чедвик. Он поставил опыт, в ходе которого бомбардировал атомы бериллия высокоэнергетическими альфа-частицами. В результате ядерной реакции из ядра бериллия вылетала частица, впоследствии названная нейтроном. За свое открытие Чедвик уже через три года получил Нобелевскую премию.
Масса нейтрона действительно мало отличается от массы протона (1,622*10-27 кг), но эта частица не обладает зарядом. В этом смысле она нейтральна и в то же время способна вызывать деление тяжелых ядер. Из-за отсутствия заряда нейтрон может легко пройти через высокий кулоновский потенциальный барьер и внедриться в структуру ядра.
Протон и нейтрон обладают квантовыми свойствами (могут проявлять свойства частиц и волн). Нейтронное излучение используют в медицинских целях. Высокая проникающая способность позволяет этому излучению ионизировать глубинные опухоли и другие злокачественные образования и обнаруживать их. При этом энергия частиц относительно маленькая.
Нейтрон, в отличие от протона, нестабильная частица. Ее время жизни составляет около 900 секунд. Она распадается на протон, электрон и электронное нейтрино.
Источники:
- Открытие протона и нейтрона
Очень часто в разных ситуациях люди слышат слово протон, а также ядро, нейтрон, электрон. Не всегда ученики и даже взрослые люди знают, откуда пошло это название и когда мир узнал про такие элементы.
Прошло большое количество времени прежде, чем ученые согласились, что все вещества состоят из молекул. Со временем даже смогли установить, что в своем составе атомы. После чего возник вопрос, из чего состоит атом. Атом включает в себя ядро и некоторое количество электронов, которые вращаются вокруг ядра.
Ядро атома водорода
Резерфорд, который был одним из первооткрывателем данного раздела физики и всю свою жизнь работал над развитием данного направления, предполагал, что в составе ядра любого химического элемента находится ядро водорода, что и сумел подтвердить с помощью опытов.Эти опыты требовали значительной подготовки, и, проводя эксперименты, ученный и его ученики, часто приносили в жертву свое здоровье. Опыт проводился таким образом: с помощью альфа- происходила бомбардировка атомов азота. В итоге из ядер атомов азота выбивались разные частицы, которые фиксировались на светочувствительной пленке. Из-за слабого свечения Резерфорду приходилось по восемь часов сидеть в комнате без освещения, чтобы глаза лучше фиксировали световые следы.
Благодаря этим экспериментам Резерфорд смог по следам выбивания определить, что в атоме любого вещества есть именно атомы водорода и кислорода.
Протон
Частицу протон Резерфорд в 1919 году при проведении опыта, который доказал наличие в любом химическом элементе ядра атома водорода. Протон по сути является электроном, но с положительным знаком, он уравновешивает количество электронов, в такой ситуации атом называется нейтральным или незаряженным.Название протон происходит от «протос», которое переводится с греческого как первый. Изначально, данную частицу хотели назвать от греческого слова «барос», которое означает тяжесть. Но в итоге было принято решение, что «протон» лучше описывает все качества данного элемента. Важно помнить, что масса протона приблизительно в 1840 раз больше, чем .
Нейтрон
Нейтрон также является одним из элементов атома. Данный элемент открыл Чедвик, после того как провел серию бомбардировок над ядром атома . При такой бомбардировке вылетали элементы, которые никак не реагировали на электрическое поле, поэтому их в итоге и назвали нейтронами.Вселенная, которую порой называют космосом, состоит из галактик, то есть звездных систем. Сегодня есть различные гипотезы о возникновении Вселенной, но нет ни одного научно доказанного факта. Все эти теории строятся на основании предположений и расчетов различных ученых.
Инструкция
Основоположником изучения Вселенной стал польский астроном Николай Коперник, написавший труд о гелиоцентрической системе, в котором говорилось, что Земля является частью большой . В последующие времена труды Н. Коперника совершенствовали и дополняли другие ученые, но именно поляк сумел дать человечеству базовые знания о космическом мироустройстве.
Наиболее всестороннее и полное изучение Вселенной началось лишь в 20 веке. Это было связано с развитием технологий в науке. На данный момент известно, что основной химический элемент, который входит в состав Вселенной, - это водород. Его объем составляет 75% от общего условного объема, на втором месте стоит гелий, объем которого составляет 23%. Остальное занимают незначительные химические примеси. Долгие годы человечество наблюдает за развитием Вселенной для того, чтобы понять причины ее возникновения.