Site Loader

Содержание

объясните пятикласснику, что такое протон, электрон и другие частицы, что они делают и зачем нужны?

Дам свой вариант ответа.

Протон, электрон и другие частицы — это очень-очень-оооочень маленькие частицы. Можно представлять их, например, как круглые пылинки (хотя это будет не совсем точно, но это лучше, чем вообще никак). Такие маленькие, что невозможно просто так рассмотреть одну такую пылинку. Всё вещество, всё что мы видим, всё что можем потрогать — совершенно всё состоит из этих частиц. Земля состоит из них, воздух из них, Солнце из них, человек из них.

Люди всегда хотели разобраться, как весь мир устроен. Из чего он состоит. Вот у нас есть горстка песка. Очевидно, что песок состоит из песчинок. А из чего состоит песчинка? Песчинка — это прочно слипшийся комочек, очень маленький камешек. Оказалось, что песчинку можно разделить на части. А если эти части ещё раз разделить на более мелкие части? А потом ещё раз? Можно ли, в конце-концов, найти что-такое, что уже нельзя будет разделить?

Люди, действительно, обнаружили, что в конечном счёте всё состоит из «пылинок», которые уже нельзя просто так разделить. Эти пылинки назвали «молекулами». Есть молекула воды, есть молекула кварца (кстати, песок, в основном, состоит из кварца), есть молекула соли (той, которую мы едим) и очень много разных других молекул.

Если же попытаться разделить, например, молекулу воды на части, то окажется, что составляющие части ведут себя уже совсем не как вода. Люди назвали эти части «атомами». Оказалось, что вода всегда разделяется на 3 атома. При этом 1 атом — это кислород, а другие 2 атома — это водород (их в воде 2 штуки). Если соединить любой атом кислорода с любыми 2 атомами водорода — опять будет вода.

При этом из кислорода и водорода можно кроме воды сделать и другие молекулы. Например, 2 атома кислорода легко соединяются друг с другом в такой «двойной кислород» (называется «молекула кислорода»). Такого кислорода очень много в нашем воздухе, мы им дышим, он нам нужен для жизни.

То есть оказалось, что у молекул есть «части», которые должны работать вместе, чтобы получился нужный результат. Это, например, как игрушечная машинка. У машинки, допустим, должна быть кабина и 4 колеса. Только когда они все вместе собраны — это машинка. Если же чего-то не хватает, то это уже не машинка. Если же вместо колёс поставить гусеницы — то будет вообще не машина, а танк (ну почти). Так и с молекулами. Чтобы была вода, она обязательно должна состоять из 1 кислорода и 2 водорода. Но по отдельности — это не вода.

Когда люди поняли, что все молекулы состоят из разного набора атомов, это людей обрадовало. Поизучав атомы, люди увидели, что в природе существует всего лишь около 100 разных атомов. То есть, люди узнали что-то новое о мире. Что всё-всё, что мы видим — это всего лишь 100 разных атомов. Но из-за того, что они соединены по разному, получается огромное разнообразие молекул (миллионы, миллиарды и даже больше разных молекул).

А что дальше?

Можно ли взять и разделить какой-нибудь атом? Теми средствами, которые существовали в средневековье, разделить атом было невозможно. Поэтому какое-то время считалось, что атом разделить нельзя. Считалась, что «атомы» — это самые маленькие частицы, из которых состоит весь мир.

Однако, в итоге, атом разделить удалось. И обнаружилось (самое чудесное), что с атомами та же ситуация. Оказалось, что все 100 (их немного больше 100, на самом деле) разных атомов распадаются на всего лишь 3 разных вида частиц. Всего 3! Оказалось, что все атомы — это набор из «протонов», «нейтронов» и «электронов», которые соединены в атоме определённым образом. Разное количество этих частиц, будучи соединёнными вместе, дают разные атомы.

Есть чему радоваться: человечество докопалось до понимания, что всё-всё многообразие мира — это всего лишь 3 элементарные частицы.

А можно ли разделить какую-нибудь элементарную частицу? Например, можно ли разделить протон? Сейчас считается, что частицы (например, протон) тоже состоят из частей, которые назвали «кварки». Но, насколько я знаю, до сих пор ни разу не удалось отделить «кварк» от частицы, чтобы «посмотреть», что же это такое, когда оно находится отдельно, само по себе (а не в составе частицы). Похоже, что кварки не могут (или же очень не хотят) существовать иначе, кроме как внутри частицы.

Так что на данный момент протон, нейтрон и электрон — это самые маленькие части нашего мира, которые могут существовать отдельно, и из которых всё состоит. Это действительно, впечатляет.

Правда, радость длилась не очень долго. Потому что оказалось, что кроме протона, нейтрона и электрона существует множество других разновидностей частиц. Однако, в природе они почти никогда не встречаются. Не замечено, чтобы что-то большое в природе было построено из иных частиц, нежели чем протон, нейтрон и электрон. Но известно, что эти другие частицы можно получить искусственно, если несколько частиц разогнать до умопомрачительных скоростей (около миллиарда километров в час) и стукнуть ими по другим частицам.

Об устройстве атома.

Теперь можно немножко поговорить об атоме и его частицах (протонах, нейтронах, электронах).

Чем отличаются разные частицы? Протон и нейтрон — тяжёлые. А электрон — лёгкий. Конечно, поскольку все частицы очень маленькие — они все очень лёгкие. Но электрон, если не ошибаюсь, в тысячу раз легче, чем протон или нейтрон. А протон и нейтрон зато очень похожи по массе. Почти точь в точь (с чего бы? может быть, это не случайно?).

Протоны и нейтроны в атоме всегда соединяются вместе и образуют этакий «шарик», который называют «ядром». А вот электронов в ядре никогда не бывает. Вместо этого электроны вращаются вокруг ядра. Для наглядности часто говорят, что электроны вращаются вокруг ядра «как планеты вокруг Солнца». На самом деле, это не совсем так. Это примерно настолько же правда, насколько детский мультик похож на реальную жизнь. Вроде бы почти одинаково, но в реальности всё гораздо сложнее и непонятнее. В общем, 5-класснику полезно будет представить что электроны «летают вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца». А потом где-нибудь в 7-9 классе можно будет прочитать про чудеса квантового микро-мира. Там ещё более чудесные чудеса, чем в Алисе в Стране Чудес. В том смысле, что там (на уровне атомов) всё происходит не так, как мы привыкли.

Также несколько электронов можно отделить от атома без очень уж больших усилий. Тогда получится атом без нескольких электронов. Эти электроны (их тогда называют «свободные электроны») будут летать сами по себе. Кстати, если взять много свободных электронов — получится электричество, с помощью которого в 21-м веке работает почти всё классное :).

Итак, протоны и нейтроны — тяжёлые. Электрон — лёгкий. Протоны и нейтроны — в ядре. Электроны — крутятся вокруг или же летают где-то сами по себе (обычно, немного полетав, они прицепляются к другим атомам).

А чем протон отличается от нейтрона? В целом они очень похожи, за исключением одной важной штуки. Протон имеет зяряд. А нейтрон — не имеет. Электрон, кстати, тоже имеет заряд, но другого типа…

А что такое «заряд»? Ну… Я думаю, что на этом вопросе нам лучше остановиться, потому что нужно же где-то остановиться.

Если ты захочешь узнать подробности, пиши, я отвечу. А пока что, я думаю, и этой информации на первый раз очень много.

1.1 Протоны. Нейтроны. Электроны. Изотопы — ЗФТШ, МФТИ

Из курса химии средней школы вы знаете, что атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро состоит из нуклонов — протонов и нейтронов, электронная оболочка — из электронов. Эти частицы называются элементарными.

В целом атом электронейтрален, так как заряды ядра и электронной оболочки компенсируют друг друга: число протонов в ядре равно числу электронов в электронной оболочке.

Таблица 1. Основные характеристики элементарных частиц

Частица

Символ

Масса

Заряд*

кг

а.{14}\mathrm{N}$$.

важнейшая характеристика атома, лежащая в основе его современного определения.

В Периодической системе Д.И. Менделеева порядковый номер элемента определяется именно зарядом ядра.

При обозначении элемента он ставится как левый нижний индекс.

Атомы с одинаковым зарядом ядра могут иметь разное количество нейтронов, то есть разные массы. Разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разные массы, называют изотопами.

Изотопы одного и того же элемента имеют одинаковые химические свойства, так как масса атома не играет существенной роли непосредственно в формировании этих свойств.

Ученые из МГУ выяснили, почему протоны «худеют» внутри атомов

https://ria.ru/20190221/1551185583.html

Ученые из МГУ выяснили, почему протоны «худеют» внутри атомов

Ученые из МГУ выяснили, почему протоны «худеют» внутри атомов — РИА Новости, 21.02.2019

Ученые из МГУ выяснили, почему протоны «худеют» внутри атомов

Российские и зарубежные физики из коллаборации CLAS нашли объяснение тому, почему протоны и нейтроны ведут себя по-разному внутри ядер атомов и в свободном… РИА Новости, 21.02.2019

2019-02-21T15:32

2019-02-21T15:32

2019-02-21T15:32

наука

сша

мгу имени м. в. ломоносова

институт теоретической и экспериментальной физики

физика

ускорители

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn24.img.ria.ru/images/155118/54/1551185487_0:160:2100:1341_1920x0_80_0_0_e46b9a0d9ea53b52c365dc50ab133da9.jpg

МОСКВА, 21 фев – РИА Новости. Российские и зарубежные физики из коллаборации CLAS нашли объяснение тому, почему протоны и нейтроны ведут себя по-разному внутри ядер атомов и в свободном виде. Их выводы были опубликованы в журнале Nature.Достаточно долгое время, как отмечает ученый, физики предполагали, что протоны и нейтроны, а также составляющие их кварки, ведут себя одинаково как в компании других частиц внутри ядер атомов, так и в одиночном виде.Это представление было разрушено в 1983 году, когда европейские физики начали изучать внутреннюю структуру ядер двух очень разных элементов, тяжелого водорода и железа, бомбардируя их пучками мюонов при помощи ускорителя SPS.Существовавшие в то время теоретические и эмпирические представления о том, как распределены протоны и нейтроны в ядре атома, предсказывали, что мюоны будут абсолютно одинаково взаимодействовать с этими частицами.Опыты в ЦЕРН показали, что это совсем не так – образно выражаясь, нуклоны в ядре железа «похудели» и начали реже сталкиваться с мюонами, чем их «коллеги» из дейтерия. Вдобавок, для более тяжелых элементов, таких как свинец или золото, данная аномалия, получившая имя «EMC-эффект», оказалась еще более очевидной. Вопрос того, почему это происходит и как на самом деле устроено ядро изнутри, как отмечает пресс-служба МГУ, был предметом самых ожесточенных споров среди физиков на протяжении последних 35 лет.Российские и зарубежные ученые смогли разрешить эту загадку, воспользовавшись данными, которые собирали участники проекта CLAS, наблюдавшие за тем, как электроны высоких энергий «выбивали» одиночные протоны и нейтроны из атомов дейтерия, углерода-12, свинца и других элементов.В отличие от БАК и других современных коллайдеров, ускоритель частиц CEBAF, на котором проводились эти опыты в 1998-2012 годах, записывал не только важные данные, но и все события, которые происходили внутри него. Это позволяет ученым периодически повторно анализировать ее и совершать новые открытия, обрабатывая при помощи более совершенных алгоритмов.Сравнив последствия столкновений электронов с тяжелыми ядрами свинца и легким алюминием, железом и углеродом, Ишханов и его коллеги выяснили, что внутри них существует две условные группы протонов и нейтронов с заметно разными свойствами.В первую из них входят «классические» частицы, ведущие себя одинаково и внутри атомов, и во «внешнем пространстве». Они доминируют внутри ядра и их число остается всегда примерно одинаковым.EMC-эффект, в свою очередь, возникает из-за того, что некоторые протоны и нейтроны иногда «склеиваются» и превращаются в структуры, которые физики назвали SRC-парами. Они содержат в себе не три, а шесть кварков, движущихся внутри подобной «временной частицы» совсем не так, как по протонам или нейтронам.Частота появления подобных структур, как показали участники CLAS, зависит от двух параметров – массы ядра и «избытка» нейтронов по отношению к протонам. Чем больше оба параметра, тем чаще появляются SRC-пары и тем сильнее они влияют на то, как электроны, мюоны и другие частицы взаимодействуют с кварками внутри нуклонов.Это открытие, как надеются ученые, не только разрешило один из самых ярких научных «вечных споров», но и поможет нам раскрыть реальную структуру ядер и понять, похожи ли они на своеобразный «суп» из кварков и глюонов или плотно упакованную смесь из обособленных нейтронов и протонов.

https://ria.ru/20180516/1520715028.html

https://ria.ru/20181210/1547763469.html

сша

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn24.img.ria.ru/images/155118/54/1551185487_100:0:2100:1500_1920x0_80_0_0_81aad69390489a46d43f15cdc4761f89.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сша, мгу имени м. в. ломоносова, институт теоретической и экспериментальной физики, физика, ускорители

МОСКВА, 21 фев – РИА Новости. Российские и зарубежные физики из коллаборации CLAS нашли объяснение тому, почему протоны и нейтроны ведут себя по-разному внутри ядер атомов и в свободном виде. Их выводы были опубликованы в журнале Nature.

«Данный результат, не укладывающийся в рамки традиционных представлений оболочечной модели ядра, меняет наши представления о его внутренней области и стимулирует исследования влияния кварковой структуры нуклонов на его свойства», — заявил Борис Ишханов, главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ.

Достаточно долгое время, как отмечает ученый, физики предполагали, что протоны и нейтроны, а также составляющие их кварки, ведут себя одинаково как в компании других частиц внутри ядер атомов, так и в одиночном виде.

Это представление было разрушено в 1983 году, когда европейские физики начали изучать внутреннюю структуру ядер двух очень разных элементов, тяжелого водорода и железа, бомбардируя их пучками мюонов при помощи ускорителя SPS.

Существовавшие в то время теоретические и эмпирические представления о том, как распределены протоны и нейтроны в ядре атома, предсказывали, что мюоны будут абсолютно одинаково взаимодействовать с этими частицами.

16 мая 2018, 20:00НаукаФизики нашли внутри протонов самую плотную форму материи во Вселенной

Опыты в ЦЕРН показали, что это совсем не так – образно выражаясь, нуклоны в ядре железа «похудели» и начали реже сталкиваться с мюонами, чем их «коллеги» из дейтерия. Вдобавок, для более тяжелых элементов, таких как свинец или золото, данная аномалия, получившая имя «EMC-эффект», оказалась еще более очевидной.

Вопрос того, почему это происходит и как на самом деле устроено ядро изнутри, как отмечает пресс-служба МГУ, был предметом самых ожесточенных споров среди физиков на протяжении последних 35 лет.

Российские и зарубежные ученые смогли разрешить эту загадку, воспользовавшись данными, которые собирали участники проекта CLAS, наблюдавшие за тем, как электроны высоких энергий «выбивали» одиночные протоны и нейтроны из атомов дейтерия, углерода-12, свинца и других элементов.

В отличие от БАК и других современных коллайдеров, ускоритель частиц CEBAF, на котором проводились эти опыты в 1998-2012 годах, записывал не только важные данные, но и все события, которые происходили внутри него. Это позволяет ученым периодически повторно анализировать ее и совершать новые открытия, обрабатывая при помощи более совершенных алгоритмов.

Сравнив последствия столкновений электронов с тяжелыми ядрами свинца и легким алюминием, железом и углеродом, Ишханов и его коллеги выяснили, что внутри них существует две условные группы протонов и нейтронов с заметно разными свойствами.

В первую из них входят «классические» частицы, ведущие себя одинаково и внутри атомов, и во «внешнем пространстве». Они доминируют внутри ядра и их число остается всегда примерно одинаковым.

EMC-эффект, в свою очередь, возникает из-за того, что некоторые протоны и нейтроны иногда «склеиваются» и превращаются в структуры, которые физики назвали SRC-парами. Они содержат в себе не три, а шесть кварков, движущихся внутри подобной «временной частицы» совсем не так, как по протонам или нейтронам.

10 декабря 2018, 19:21Наука Физики впервые создали капли из первичной материи Вселенной

Частота появления подобных структур, как показали участники CLAS, зависит от двух параметров – массы ядра и «избытка» нейтронов по отношению к протонам. Чем больше оба параметра, тем чаще появляются SRC-пары и тем сильнее они влияют на то, как электроны, мюоны и другие частицы взаимодействуют с кварками внутри нуклонов.

Это открытие, как надеются ученые, не только разрешило один из самых ярких научных «вечных споров», но и поможет нам раскрыть реальную структуру ядер и понять, похожи ли они на своеобразный «суп» из кварков и глюонов или плотно упакованную смесь из обособленных нейтронов и протонов.

Строение электронных оболочек атома: что такое нейтрон, протон и электрон

Само слово «атом» впервые упоминалось в трудах философов Древней Греции, и в переводе оно означает «неделимый». Не имея современных приборов, философ Демокрит, используя логику и наблюдательность, пришел к выводу, что любое вещество не может дробиться бесконечно, и в итоге должна остаться какая-то неделимая мельчайшая частица вещества – атом вещества.

И если бы не было атомов, то любое вещество или предмет можно было уничтожить полностью. Демокрит стал основоположником атомистики – целого учения, которое основывалось на понятии об атоме.

Что такое атом?

Атом – это наименьшая электронейтральная частица любого химического элемента. Он состоит из положительно заряженного ядра и оболочки, образованной отрицательно заряженными электронами. Положительно заряженное ядро – это сердцевина атома. Оно занимает мизерную часть пространства в центре атома, и в нем сосредоточены почти вся масса атома и весь положительный заряд.

Из чего состоит атом?

Составляют ядро атома элементарные частицы – нейтроны и протоны, а по замкнутым орбиталям вокруг атомного ядра движутся электроны.

Что такое нейтрон?

Нейтрон (n) представляет собой элементарную нейтральную частицу, относительная масса которой составляет 1,00866 атомной единицы массы (а.е.м.).

Что такое протон?

Протон (р) представляет собой элементарную частицу, относительная масса которой составляет 1,00728 атомной единицы массы, положительным зарядом +1 и спином 1/2. Протон ( переводится с греческого как основной, первый) относится к барионам. В ядре атома число протонов равно порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева.

Что такое электрон?

Электрон ( е–) представляет собой элементарную частицу, масса которой составляет 0,00055 а.е.м.; условный заряд электрона: — 1. Количество электронов в атоме равняется заряду ядра атома (соответствует порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Менделеева).

Вокруг ядра электроны двигаются по орбиталям, которые строго определены и образуется электронное облако.

Область пространства вокруг атомного ядра, где с вероятностью более 90% присутствуют электроны, определяет форму электронного облака.

Электронное облако р-электрона по внешнему виду напоминает гантель; на трех р-орбиталях по максимуму могут находиться лишь шесть электронов.

Электронное облако s-электрона представляет собой сферу; на s-энергетическом подуровне максимальное количество электронов, которые могут там находиться – это 2.

Изображают орбитали в виде квадрата, снизу или сверху него прописывают значения главного и побочного квантовых чисел, которые описывают эту орбиталь.

Данная запись носит название графическая электронная формула. Она выглядит следующим образом:

С помощью стрелок в данной формуле обозначают электрон. Направление стрелки соответствует направлению спина – это собственный магнитный момент электрона. Электроны, имеющие противоположные спины (на картинке это направленные в противоположные стороны стрелочки), получили название спаренные.

Электронные конфигурации атомов элементов можно представить в виде формул, в которых:

  • Указывают символы подуровня;
  • Степень у символа показывает число электронов данного подуровня;
  • Коэффициент, стоящий перед символом подуровня обозначает его принадлежность к данному уровню.

Определение числа нейтронов

Для определения числа нейтронов N в ядре нужно воспользоваться формулой:

N=A-Z, где А – массовое число; Z – заряд ядра, который равняется числу протонов (порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева).

Как правило, параметры ядра записывают так: сверху – массовое число, а слева внизу от символа элемента прописывают заряд ядра.

Это выглядит так:

Данная запись обозначает следующее:

  • Массовое число равняется 31;
  • Заряд ядра (и как следствие, и число протонов) для атома фосфора равняется 15;
  • Число нейтронов равно 16. Его высчитывают так: 31-15=16.

Массовое число примерно соответствует относительной атомной массе ядра. Это вызвано тем, что массы нейтрона и протона практически не имеют отличий.

Строение атомов первых десяти химических элементов таблицы Менделеева

Ниже мы представили часть таблицы, в которой приведено строение электронных оболочек атомов первых двадцати элементов Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Полная таблица электронных формул атомов представлена в отдельной нашей публикации.

Химические элементы, в атомах которых происходит заполнение р-подуровня, носят название р-элементы. Электронов может быть от 1 до 6.

Химические элементы, в атомах которых s-подуровень внешнего уровня пополняется 1 или 2 электронами получили название s-элементы.

Число электронных слоев в атоме химического элемента равняется номеру периода.

Правило Хунда

Существует правило Хунда, в соответствии с которым электроны располагаются на однотипных орбиталях одного энергетического уровня так, чтобы совокупный спин был максимально возможным. Это означает, что, когда энергетический подуровень заполняется, каждый электрон сначала занимает отдельную ячейку, и лишь потом запускается процесс их соединения.


Изображение электронной формулы Азота в графическом виде


Изображение электронной формулы Кислорода в графическом виде


Изображение электронной формулы Неона в графическом виде

К примеру, у атома азота все р-электроны будут занимать отдельные ячейки, а у кислорода начнется их спаривание, которое завершится в полной мере у неона.

Что такое изотопы

Изотопы – это атомы одного и того же элемента, которые в своих ядрах содержат одинаковое количество протонов, но число нейтронов будет различное. Изотопы известны для всех элементов.

По этой причине атомные массы элементов в периодической системе представляют собой среднее значение из массовых чисел природных смесей изотопов и имеют отличия от целочисленных значений.

Есть ли что-то меньше ядра атома

Подведем итоги. Атомная масса природных смесей изотопов не может служить главнейшей характеристикой атома, и, как следствие, и элемента.

Подобной характеристикой атома будет являться заряд ядра, который определяет строение электронной оболочки и количество электронов в ней. Это интересно! Наука не стоит на месте и ученые смогли опровергнуть догму о том, что атом является самой маленькой частицей химических элементов. Сегодня мир знает кварки – из них состоят нейтроны и протоны.

Физики провели новый эксперимент по изучению структуры атомного ядра

Международный коллектив учёных при участии группы физиков НИИЯФ МГУ провёл в лаборатории Томаса Джефферсона (JLAB) новый эксперимент по изучению структуры атомного ядра. Исследователи наблюдали прямое выбивание электронами из ядер протонов и нейтронов, а также определяли импульс, которым выбиваемый нуклон обладал в ядре. Эксперимент показал, что высокоимпульсные нуклоны образуют в ядре коррелированные протон-нейтронные пары. Такой результат не укладывается в традиционные представления оболочечной модели ядра. Исследование опубликовано в престижном научном журнале Nature.

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон имеют практически одинаковую массу (mp = 938,3 МэВ,mn = 939,6 МэВ), но различаются величиной электрического заряда. Протон заряжен положительно Qp = |Qe|, а нейтрон не имеет электрического заряда. Ядерное взаимодействие не зависит от электрического заряда частицы, поэтому эти две частицы объединены одним словом — нуклон. При этом обычно предполагается, что свойства протонов и нейтронов в ядре совпадают со свойствами свободных протонов.

Однако исследования последних десятилетий в области ядерной физики опровергают этот тезис. Так, свободный протон является стабильной частицей, его время жизни больше 1033 лет. Эта величина на много порядков превосходит время существования Вселенной, и все попытки обнаружить распад протона до сих пор оказывались безуспешными. Нейтрон же — частица нестабильная. Время его жизни вне атомного ядра составляет лишь 880,0 ± 0,9 секунд (чуть меньше четверти часа).

Различия в свойствах протонов и нейтронов обусловлены их кварковым составом. Учитывать кварковую структуру нуклонов необходимо также и при описании свойств атомных ядер: протоны и нейтроны, находящиеся на внутренних оболочках атомных ядер, имеют достаточно высокую энергию и сближаются так, что начинает сказываться их внутренняя структура.

Для более детального описания атомных ядер необходимо учитывать кварковую структуру нуклонов, образующих атомное ядро. Для изучения структуры атомных ядер в JLAB была организована коллаборация CLAS, в которую входит 43 организации из 9 стран мира. От России в коллаборации участвуют сотрудники НИИЯФ МГУ и ИТЭФ.

Новый эксперимент по изучению структуры атомного ядра выполнен в лаборатории Томаса Джефферсона (США) при участии группы физиков НИИЯФ МГУ. «В эксперименте наблюдалось прямое выбивание электронами из ядер не только протонов, но и нейтронов, и определялся импульс, которым выбиваемый нуклон обладал в ядре. Было показано, что, например, в ядре свинца, в котором число нейтронов (126) в полтора раза превышает число протонов (82), высокоимпульсных протонов и нейтронов одинаковое количество, как и в ядре углерода (6 протонов и 6 нейтронов). При этом низкоимпульсных нейтронов в ядре свинца, как и следовало ожидать, в полтора раза больше, чем протонов, а в ядре углерода их поровну, — описал исследование один из авторов исследования, главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ, заведующий кафедрой общей ядерной физики МГУ Борис Ишханов. — Это означает, что высокоимпульсные нуклоны образуют в ядре коррелированные протон-нейтронные пары. Данный результат, не укладывающийся в рамки традиционных представлений оболочечной модели ядра, меняет наши представления о внутренней области ядер и стимулирует исследования влияния кварковой структуры нуклонов на ядерные свойства».

Существующие модели атомного ядра несовершенны

Атомное ядро — это сложная связанная система протонов и нейтронов, которую невозможно описать простой формулой. Поэтому создаются модели атомных ядер, которые описывают их основные свойства. Одной из первых моделей атомного ядра была капельная модель, развитая в работах Бете и Вайцзеккера, которая успешно описала энергию связи ядра. В этой модели атомное ядро, состоящее из Zпротонов и Nнейтронов, уподоблялось капельке жидкости. В этой модели учитывались следующие факторы: взаимное притяжение между всеми протонами и нейтронами; кулоновское расталкивание между протонами; нахождение части нуклонов на поверхности ядра, что ослабляет их связь; одинаковое число протонов и нейтронов, образующих наиболее связанные ядра; дополнительное связывание в пары частиц одного типа — протоны или нейтроны, но это уже следовало не из свойств жидкой капли, а наблюдалось в экспериментах.

Такая относительно простая модель смогла описать экспериментально измеренные энергии связи ядер с точностью в несколько процентов. Однако по мере расширения знаний об атомных ядрах оказалось, что эта модель не может адекватно описать квантовые характеристики ядер, их возбужденные состояния.

На смену капельной модели пришла другая — оболочечная модель ядра. В этой модели протоны и нейтроны совместно создают квантовую потенциальную яму, в которой частицы размещаются в отдельных состояниях в соответствии принципом Паули. Появление такой модели было достаточно неожиданным, так как к этому времени было установлено, что размеры протона и нейтрона ≈ 0,8 Ферми (1 Ферми = 10‒13 см) и они довольно плотно упакованы в ядре. Расстояние между нуклонами в ядре всего лишь в 3-4 раза превышают их размер. Непонятно, как при этом нуклоны могли двигаться по устойчивым орбитам подобно планетам вокруг Солнца. Ввиду своих недостатков, учёные рассматривают оболочечную модель как полуэмпирическую схему, позволяющую понять некоторые закономерности в структуре ядер, но не способной последовательно количественно описать свойства ядра.

Законы мира квантовых частиц

Квантовый мир отличается от классического, описываемого законами Ньютона и Кеплера. Квантовые частицы подчиняются другим законам. В частности, в силу неопределенности Гайзенберга они не двигаются по каким-то траекториям, а имеют определенные квантовые числа, в соответствии с которыми они создают квантовые объекты. Все объекты квантового мира можно было построить из трех элементарных частиц — протона, нейтрона и электрона.

С появлением ускорителей мир частиц увеличился до нескольких сотен частиц. Стало известно, что протоны и нейтроны не являются элементарными частицами, а состоят из кварков двух типов u и d. Эти кварки имеют примерно одинаковые массы, но различаются величинами электрического заряда. Заряд u-кварка равен +2/3|Qe|, а заряд d-кварка равен ‒1/3|Qe|.

Впервые были обнаружены частицы, имеющие дробный электрический заряд. До сих пор удавалось получать частицы в свободном состоянии и исследовать их свойства. Кварки никакими усилиями не удавалось выбить из протона и нейтрона. Это было связано со свойствами сил, связывающих частицы. Обычно силы взаимодействия между частицами уменьшаются при увеличении расстояния между ними. Кварки внутри протонов и нейтронов связываются глюонами. И притяжение между кварками увеличивается при увеличении расстояние между кварками. Это явление называется конфайнментом (пленение).

В экспериментах, выполненных в JLAB(США), для изучения внутренней структуры протона и нейтрона использовалось рассеяние ускоренных до нескольких ГэВ электронов на протонах и нейтронах, входящих в состав различных ядер C, Al, Fe, Pb. В результате этих экспериментов было показано, что при описании свойств атомных ядер необходимо учитывать кварковую структуру протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, находящиеся на внутренних оболочках атомных ядер, имеют достаточно высокую энергию и сближаются так, что начинает сказываться их внутренняя структура.

Исследование коллаборации CLAS, опубликованное в Nature, расширяет представление о влиянии кварковой структуры на взаимодействие нуклонов и устройство атомного ядра.

Как работают атомы / Хабр

Что удерживает электрон в атоме на орбите атомного ядра?

На первый взгляд, особенно если смотреть на мультяшную версию атома, описанную мною ранее со всеми её недостатками, электроны, двигающиеся по орбите вокруг ядра, выглядят так же, как планеты, двигающиеся по орбите вокруг Солнца. И вроде бы принцип этих процессов одинаков. Но есть подвох.


Рис 1

Что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца? В Ньютоновской гравитации (Эйнштейновская сложнее, но тут она нам не нужна) любая пара объектов притягивается друг к другу посредством гравитационного взаимодействия, пропорционального произведению их масс. В частности, гравитация Солнца притягивает к нему планеты (с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. То есть, если расстояние уменьшается вдвое, сила увеличивается вчетверо). Планеты тоже притягивают Солнце, но оно настолько тяжёлое, что это почти не влияет на его движение.

Инерция, тенденция объектов к перемещению по прямым линиям в случае отсутствия действия на них других сил, работает против гравитационного притяжения, и в результате планеты двигаются вокруг Солнца. Это видно на рис.1, где изображена круговая орбита. Обычно эти орбиты эллиптические – хотя в случае планет они почти круглые, поскольку так формировалась Солнечная система. Для различных мелких камней (астероидов) и глыб льда (комет), двигающихся по орбитам вокруг Солнца, это уже не так.

Сходным образом все пары электрически заряженных объектов притягиваются или отталкиваются друг от друга, с силой, тоже обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Но, в отличие от гравитации, которая всегда притягивает объекты вместе, электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать. Объекты, обладающие одинаковыми, положительными или отрицательными зарядами, отталкиваются. А отрицательно заряженный объект притягивает положительно заряженный объект, и наоборот. Отсюда и романтическая фраза «противоположности притягиваются».

Поэтому положительно заряженное атомное ядро в центре атома притягивает легковесные электроны, двигающиеся на задворках атома, к себе, примерно как Солнце притягивает планеты. Электроны тоже притягивают ядро, но масса ядер настолько больше, что их притяжение почти не влияет на ядро. Электроны также отталкиваются друг от друга, что является одной из причин, по которым они не любят проводить время близко друг к другу. Можно было бы считать, что электроны в атоме перемещаются по орбитам вокруг ядра примерно так же, как планеты перемещаются вокруг Солнца. И на первый взгляд, именно так они и поступают, особенно в мультяшном атоме.

Но вот, в чём подвох: на самом деле, это двойной подвох, и каждый из двух подвохов оказывает эффект, противоположный другому, в результате чего они взаимно уничтожаются!

Двойной подвох: как атомы отличаются от планетных систем


Рис 2

Первый подвох: в отличие от планет, электроны, двигающиеся по орбитам вокруг ядра, должны излучать свет (точнее, электромагнитные волны, одним из примеров которых служит свет). А это излучение должно заставлять электроны замедляться и по спирали падать на ядро. В принципе, в теории Эйнштейна существует схожий эффект – планеты могут испускать гравитационные волны. Но он чрезвычайно мал. В отличие от случая с электронами. Получается, что электроны в атоме должны очень быстро, за малую долю секунды, по спирали упасть на ядро!

И они бы так и сделали, если бы не квантовая механика. Потенциальная катастрофа изображена на рис. 2.

Второй подвох: но наш мир работает согласно принципам квантовой механики! А у неё есть свой удивительный и контринтуитивный принцип неопределённости. Этот принцип, описывающий тот факт, что электроны – это такие же волны, как и частицы, заслуживает своей собственной статьи. Но вот, что нам нужно знать о нём для сегодняшней статьи. Общее следствие этого принципа состоит в том, что невозможно знать все характеристики объекта одновременно. Существуют наборы характеристик, для которых измерение одной из них делает другие неопределёнными. Один из случаев – это местоположение и скорость таких частиц, как электроны. Если вы точно знаете, где находится электрон, вы не знаете, куда он направляется, и наоборот. Можно достичь компромисса и с некоторой точностью знать, где он, и с некоторой точностью знать, куда он направляется. В атоме так всё и получается.

Допустим, электрон по спирали падает на ядро, как на рис. 2. В процессе его падения нам всё точнее и точнее будет известно его местоположение. Тогда принцип неопределённости говорит нам, что его скорость будет становиться всё более и более неопределённой. Но если электрон остановится на ядре, его скорость не будет неопределённой! Поэтому он не может остановиться. Если он вдруг попробует упасть вниз по спирали, ему придётся всё быстрее и быстрее передвигаться случайным образом. И это увеличение скорости уведёт электрон в сторону от ядра!

Так что тенденция падения по спирали будет нейтрализована тенденцией к более быстрому движению согласно принципу неопределённости. Баланс находится, когда электрон располагается на предпочтительном расстоянии от ядра, и это расстояние определяет размер атомов!


Рис 3

Если электрон изначально находится далеко от ядра, он будет двигаться к нему по спирали, как показано на рис. 2, и излучать электромагнитные волны. Но в результате его расстояние от ядра станет достаточно малым для того, чтобы принцип неопределённости запретил дальнейшее сближение. На этом этапе, когда найден баланс между излучением и неопределённостью, электрон организует стабильную «орбиту» вокруг ядра (точнее, орбиталь – этот термин выбран, чтобы подчеркнуть, что в отличие от планет, у электрона из-за квантовой механики нет таких орбит, какие есть у планет). Радиус орбитали определяет радиус атома (рис. 3).

Ещё одна особенность – принадлежность электронов к фермионам – заставляет электроны не спускаться до одного радиуса, и выстраиваться по орбиталям разных радиусов.

Насколько атомы крупные? Приближение на основе принципа неопределённости

На самом деле мы можем примерно оценить размер атома, используя только расчёты для электромагнитных взаимодействий, массу электрона и принцип неопределённости. Для простоты проделаем расчёты для атома водорода, где ядро состоит из одного протона, вокруг которого двигается один электрон.

  • Массу электрона обозначим
  • Неопределённость позиции электрона обозначим Δx
  • Неопределённость скорости электрона обозначим Δv

Принцип неопределённости утверждает:

где ℏ — это постоянная Планка h, делённая на 2 π. Обратите внимание, он говорит, что (Δ v) (Δ x) не может быть слишком малым, что означает, что обе определённости не могут быть слишком малыми, хотя одна из них может быть очень малой, если другая будет очень большой.

Когда атом устанавливается в предпочтительном основном состоянии, мы можем ожидать, что знак ≥ превратится в знак ~, где A ~ B означает, что «A и B не совсем равны, но и не сильно отличаются». Это очень полезный символ для оценок!

Для атома водорода в основном состоянии, в котором неопределённость положения Δx будет примерно равна радиусу атома R, а неопределённость скорости Δv будет примерно равна типичной скорости V движения электрона вокруг атома, мы получим:

Как узнать R и V? Между ними и силой, удерживающей атом вместе, существует взаимоотношение. В неквантовой физике объект массы m, находящийся на круговой орбите радиуса r, и двигающийся со скоростью v вокруг центрального объекта, притягивающего его с силой F, будет удовлетворять уравнению

К электрону в атоме напрямую это неприменимо, но приближённо это работает. Сила, действующая в атоме, это электрическая сила, с которой протон с зарядом +1 притягивает электрон с зарядом -1, и в результате уравнение принимает вид

где k – константа Кулона, e – единица заряда, c – скорость света, ℏ — это постоянная Планка h, делённая на 2 π, а α – определённая нами постоянная тонкой структуры, равная

. Совместим два предыдущих уравнения для F, и оценочное соотношение получается следующим:

Теперь применим это к атому, где v → V, r → R, и m → m

e

. Также умножим верхнее уравнение на

. Это даёт:

На последнем шаге мы использовали наше соотношение неопределённости для атома,

. Теперь можно вычислить радиус атома R:

И это оказывается практически точным! Такие простые оценки не дадут вам точных ответов, но очень хорошее приближение обеспечат!

4.9. Элементарные частицы

  В настоящее время известно более сотни различных мезонов и других частиц со странными свойствами. Их массы лежат в пределах от 200 электронных масс до масс, в несколько раз превышающих массу протона. Существование всех этих новых частиц скоротечно, ни одна из них не живет дольше нескольких микросекунд, а многие частицы распадаются примерно через 10−23 с после своего образования. Конечные продукты распадов этих частиц – обычные составные части вещества, т.е. протоны, электроны и фотоны, а также нейтрино.

Необходимо отметить, что позитроны и антипротоны в свободном состоянии устойчивы, но при взаимодействии с обычным веществом они аннигилируют.

Элементарными следует называть микрочастицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными. Это электроны, протоны, нейтроны и многие другие частицы. Впрочем, ситуация с определением элементарности усложнилась после того, как выяснилось, что многие из этих частиц имеют внутреннюю структуру.

Несмотря на последнее обстоятельство, за этими частицами сохранили название элементарных. И это в какой-то степени оправдано: во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Они могут рождаться и превращаться друг в друга, но не расщепляться на какие-то составляющие.

Поэтому теперь в ядерной физике под термином «элементарные частицы» понимается общее название для всех субатомных частиц, отличных от атомов и атомных ядер.

Итак, частицы, которые мы называем элементарными, ведут себя как единое целое и обладают способностью к рождению и взаимопревращению. Например, распад нейтрона:

0n1 → 1p1 + 1e0 + νe,  

Продукты распада нейтрона возникают только в самом этом процессе. До распада их не было совсем, и они не входили в состав нейтрона.

Для элементарных частиц весьма характерна их многочисленность. В настоящее время открыто несколько сотен частиц, подавляющее большинство которых нестабильно.

Источниками заряженных частиц высоких энергий являются в основном ускорители. Вместе с детекторами они позволяют исследовать процессы в которых образуются и взаимодействуют различные элементарные частицы. Вот почему физику элементарных частиц часто называют физикой высоких энергий.

Виды фундаментальных взаимодействий

Современной науке известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие осуществляется между нуклонами в атомных ядрах. Оно присуще также большому количеству элементарных частиц, так называемых адронов (протоны, нейтроны, гипероны, мезоны и др.). Электромагнитное взаимодействие осуществляется между электрическими зарядами. К электромагнитным взаимодействиям сводятся обычно воспринимаемые нами силы: химические, молекулярные, упругие, вязкие и др. Слабые взаимодействия вызывают β-распад радиоактивных ядер и вместе с электромагнитными силами присущи лептонам – элементарным частицам, не участвующим в сильных взаимодействиях и обладающих спином ½ (электрон, мюон, нейтрино и др.). Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.

Энергетика взаимодействий связана со временем их протекания. Для сравнения скоростей взаимодействий обычно берут частицы с одной и той же энергией например, принимают кинетическую энергию сталкивающихся частиц равной 1 ГэВ, характерную для физики элементарных частиц. При таких энергиях сильные взаимодействия осуществляются за времена порядка 10−23 с, электромагнитные – 10−20 с, слабые – 10−9 с.

Вид взаимодействия, присущий определенной частице, определяет и такой параметр, как длина её свободного пробега в веществе. Чем интенсивнее тип взаимодействия, тем меньше длина свободного пробега. Так нейтрино с энергией 10 МэВ может пройти слой железа толщиной 109 км. Сильные и слабые взаимодействия являются короткодействующими. Радиус действия сильных взаимодействий имеет порядок 10−13 см (1 ферми), а слабых – 2·10−16 см. Электромагнитные силы являются дальнодействующими. Их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. Аналогичному закону подчиняются и гравитационные силы. Количественно соотношения интенсивности типов взаимодействий представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3. Интенсивность различных типов взаимодействия.

Тип взаимодействия Объекты взаимодействия Радиус действия Интенсивность взаимодействия по отношению к сильному
Сильное Адроны 10−13 см 1
Электромагнитное Заряженные частицы 10−3-10−2
Слабое Все частицы 10−15 см 10−16-10−15
Гравитационное Масса 10−40-10−38

Остановимся более подробно на характеристике этих взаимодействий.

  1. Сильные взаимодействия удерживают нуклоны в атомных ядрах, они же присущи большинству адронов (протон, нейтрон, гипероны, мезоны и др.). Эти взаимодействия короткодействующие: на расстояниях свыше 10−13 см они прекращаются, вследствие чего сильные взаимодействия не способны создавать структуры макроскопических размеров.
  2. Электромагнитные взаимодействия осуществляются через электромагнитное поле. Они значительно слабее сильных взаимодействий, однако из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются главными. Именно эти силы вызывают разлет осколков, которые образуются при делении атомных ядер. Эти силы ответственны за все электрические и магнитные явления, наблюдаемые нами в различных формах их проявления: оптических, механических, тепловых, химических и т.д.
  3. Слабые взаимодействия весьма малы по сравнению с сильными и электромагнитными. Слабые взаимодействия являются универсальными: они присутствуют во всех взаимодействиях.
  4. Гравитационные взаимодействия самые слабые. Они универсальны. Но для элементарных частиц эти взаимодействия никакого значения не имеют, поэтому современная физика элементарных частиц – это физика без гравитации. В связи с этим в дальнейшем под фундаментальными мы будем понимать только сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия.

Практически все элементарные частицы являются нестабильными (за исключением фотона, электрона и трех нейтрино). Время жизни таких частиц варьируется в пределах от 10−18 до 10−11 с (у так называемых резонансов еще меньше). Но в некоторых случаях оно оказывается весьма продолжительным: например, среднее время жизни свободного нейтрона составляет 11.7 мин.

Систематика элементарных частиц

Бозоны и фермионы

Все частицы (включая и неэлементарные, и так называемые квазичастицы) подразделяют на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны и др.). Фермионы же – это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).

Время жизни τ

Практически все элементарные частицы, как уже говорилось, являются нестабильными, распадаясь на другие частицы. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и т.н. резонансы. Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни ~10−23 с. Нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10−20 с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10−23 с) время 10−20 с следует считать большим. По этой причине их и называют квазистабильными. Стабильными частицами (τ → ∞) являются только фотон, электрон, протон и нейтрино.

Переносчики взаимодействия

Это особая группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), родственные им W- и Z-бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны.

Все остальные частицы подразделяют по характеру взаимодействий, в которых они участвуют, на лептоны и адроны.

Лептоны

Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино. Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. За исключением нейтрино, лептоны участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.

Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них, в отличие от адронов, не обнаружена внутренняя структура.

Адроны

Так называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют и в электромагнитном, и в слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют самую многочисленную группу частиц (свыше 400). Адроны подразделяют на мезоны и барионы. Мезоны – это адроны с нулевым или целочисленным спином (т.е. бозоны). К ним относятся π-, K- и η-мезоны, а также множество мезонных резонансов, т.е. мезонов с временем жизни ~10−23 с. Барионы – это адроны с полуцелым спином (т.е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона, все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и большим временем жизни (сравнительно с ядерным ~10−23 с) называют гиперонами. Это гипероны Λ, Σ, Ξ и Ω. Все гипероны имеют спин ½, за исключением Ω, спин которого 3/2. За время τ ~10−19-10−10 с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты).

Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в таблицу 4.4.

Таблица 4.4. Систематика элементарных частиц.

Фотоны Лептоны Адроны
Мезоны Барионы
Нуклоны Гипероны
γ e, μ, τ, ν π, K, η и резонансы p, n Λ, Σ, Ξ, Ω и резонансы

Античастицы

Частицы и античастицы

Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону e – позитрон e+, протону p+ – антипротон p, нейтрону n – антинейтрон и т.д. Позитрон и антипротон отличаются от электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.

В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного, лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения.

Такие же характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы.

В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т.е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно нейтральными. К ним относятся, например, фотон γ, π0-мезон и η0-мезон.

Понятия частицы и античастицы относительны. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны более экзотические частицы. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица – частицей или античастицей.

Аннигиляция и рождение пар

При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция, т.е. превращение их в γ-кванты, например так:

e + e+ → γ + γ.  

Заметим, что один γ-квант при этом излучиться не может: в этом случае нарушался бы закон сохранения импульса. Это легко понять, если рассмотреть процесс в Ц-системе, где суммарный импульс электрона и позитрона равен нулю.

Существует процесс, обратный аннигиляции – рождение пар: γ-квант может породить пару ee+. Для этого необходимо, чтобы энергия γ-кванта была не меньше собственной энергии пары 2·mec2. Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон сохранения импульса. В самом деле, в Ц-системе суммарный импульс образовавшейся пары был бы равен нулю, тогда как импульс породившего ее γ-кванта отличен от нуля. При наличии атомного ядра импульс γ-кванта будет восприниматься ядром без нарушения закона сохранения импульса.

Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно π-мезоны (доля γ-квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитным взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц – адронов – сильным взаимодействием.

Более подробную информацию можно скачать здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ) или здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).

Некоторые проблемы эволюции Вселенной, нуклеосинтеза и космохронологии с точки зрения физики ядра и элементарных частиц, представлены в книге Ю.Э. Пенионжкевич «Ядерная Астрофизика». В этой работе проводится сравнение процессов, происходящих во Вселенной, с механизмами образования и распада ядер, а также их взаимодействия при высоких энергиях, еаны примеры, показывающие возможности методов ядерной физики в исследовании Вселенной.

 

4.4: Свойства протонов, нейтронов и электронов

Цели обучения

  • Опишите расположение, заряды и массы трех основных субатомных частиц.
  • Определите количество протонов и электронов в атоме.
  • Определите атомную единицу массы (а.е.м.).

Атомная теория Дальтона многое объясняет о материи, химических веществах и химических реакциях. Тем не менее, это не было полностью точным, потому что вопреки тому, что полагал Дальтон, атомы на самом деле могут быть разбиты на более мелкие субъединицы или субатомные частицы.Мы очень подробно говорили об электроне, но нас интересуют еще две частицы: протоны и нейтроны. Мы уже узнали, что Дж. Дж. Томсон открыл отрицательно заряженную частицу, названную электроном . Резерфорд предположил, что эти электроны вращаются вокруг положительного ядра. В последующих экспериментах он обнаружил, что в ядре есть положительно заряженная частица меньшего размера, называемая протоном . Существует также третья субатомная частица, известная как нейтрон.

Электронов

Электроны — это один из трех основных типов частиц, из которых состоят атомы. В отличие от протонов и нейтронов, которые состоят из более мелких и простых частиц, электроны являются элементарными частицами, которые не состоят из более мелких частиц. Они представляют собой тип элементарных частиц, называемых лептонами. Все лептоны имеют электрический заряд \ (- 1 \) или \ (0 \). Электроны очень маленькие. Масса электрона составляет всего около 1/2000 массы протона или нейтрона, поэтому электроны практически ничего не вносят в общую массу атома.Электроны имеют электрический заряд \ (- 1 \), который равен, но противоположен заряду протона, который равен \ (+ 1 \). Все атомы имеют такое же количество электронов, что и протоны, поэтому положительный и отрицательный заряды «уравновешиваются», делая атомы электрически нейтральными.

В отличие от протонов и нейтронов, которые находятся внутри ядра в центре атома, электроны находятся вне ядра. Поскольку противоположные электрические заряды притягиваются друг к другу, отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру.Эта сила притяжения заставляет электроны постоянно двигаться через пустое пространство вокруг ядра. На приведенном ниже рисунке показан общий способ представления структуры атома. Он показывает электрон как частицу, вращающуюся вокруг ядра, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Однако это неверная точка зрения, поскольку квантовая механика показывает, что электроны более сложны.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Электроны намного меньше протонов или нейтронов. Если бы электрон был массой пенни, протон или нейтрон имели бы массу большого шара для боулинга!

Протоны

Протон — одна из трех основных частиц, составляющих атом.{-15} \) метров.

Как вы уже догадались по названию, нейтрон нейтрон. Другими словами, он совершенно не заряжен и поэтому не привлекается и не отталкивается от других объектов. Нейтроны есть в каждом атоме (за одним исключением), и они связаны вместе с другими нейтронами и протонами в атомном ядре.

Прежде чем мы продолжим, мы должны обсудить, как различные типы субатомных частиц взаимодействуют друг с другом. Что касается нейтронов, ответ очевиден.Поскольку нейтроны не притягиваются к объектам и не отталкиваются от них, они на самом деле не взаимодействуют с протонами или электронами (кроме связывания в ядре с протонами).

Хотя электроны, протоны и нейтроны — все типы субатомных частиц, они не все одинакового размера. Когда вы сравниваете массы электронов, протонов и нейтронов, вы обнаруживаете, что электроны имеют чрезвычайно малую массу по сравнению с протонами или нейтронами. С другой стороны, массы протонов и нейтронов довольно похожи, хотя технически масса нейтрона немного больше массы протона.Поскольку протоны и нейтроны намного массивнее электронов, почти вся масса любого атома исходит от ядра, которое содержит все нейтроны и протоны.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Свойства субатомных частиц
Частица Символ Масса (а.е.м.) Относительная масса (протон = 1) Относительный заряд Расположение
протон п. + 1 1 +1 внутри ядра
электрон e 5.45 × 10 −4 0,00055 -1 вне ядра
нейтрон n 0 1 1 0 внутри ядра

Таблица \ (\ PageIndex {1} \) дает свойства и расположение электронов, протонов и нейтронов. В третьем столбце показаны массы трех субатомных частиц в «атомных единицах массы».«Атомная единица массы (\ (\ text {amu} \)) определяется как одна двенадцатая массы атома углерода-12. Атомные единицы массы (\ (\ text {amu} \)) полезны , потому что, как вы можете видеть, масса протона и масса нейтрона в этой системе единиц почти точно равны \ (1 \).

Отрицательный и положительный заряды равной величины нейтрализуют друг друга. Это означает, что отрицательный заряд электрона идеально уравновешивает положительный заряд протона. Другими словами, нейтральный атом должен иметь ровно один электрон на каждый протон.Если у нейтрального атома 1 протон, у него должен быть 1 электрон. Если у нейтрального атома 2 протона, у него должно быть 2 электрона. Если у нейтрального атома 10 протонов, у него должно быть 10 электронов. Вы уловили идею. Чтобы быть нейтральным, атом должен иметь одинаковое количество электронов и протонов.

Сводка

  • Электроны — это разновидность субатомных частиц с отрицательным зарядом.
  • Протоны — это субатомные частицы с положительным зарядом. Протоны связаны вместе в ядре атома в результате сильного ядерного взаимодействия.
  • Нейтроны — это тип субатомных частиц без заряда (они нейтральны). Как и протоны, нейтроны связаны с ядром атома в результате сильного ядерного взаимодействия.
  • Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, но оба они намного массивнее электронов (примерно в 2000 раз массивнее электрона).
  • Положительный заряд протона равен по величине отрицательному заряду электрона. В результате в нейтральном атоме должно быть равное количество протонов и электронов.
  • Атомная единица массы (а.е.м.) — единица массы, равная одной двенадцатой массы атома углерода-12.

Материалы и авторство

Эта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или всесторонне) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:

2.1 Электроны, протоны, нейтроны и атомы — Физическая геология

Вся материя, включая минеральные кристаллы, состоит из атомов, и все атомы состоят из трех основных частиц: протонов , нейтронов, и электронов .Как показано в Таблице 2.1, протоны заряжены положительно, нейтроны не заряжены, а электроны заряжены отрицательно. Отрицательный заряд одного электрона уравновешивает положительный заряд одного протона. И протоны, и нейтроны имеют массу 1, а электроны почти не имеют массы.

Таблица 2.1 Заряды и массы частиц в атомах
Элементарная частица Заряд Масса
Протон +1 1
нейтрон 0 1
Электрон -1 ~ 0

Элемент водород состоит из простейших атомов, каждый из которых состоит только из одного протона и одного электрона.Протон образует ядро, а электрон вращается вокруг него. Все другие элементы имеют в своем ядре как нейтроны, так и протоны, такие как гелий, как показано на рисунке 2.2. Положительно заряженные протоны имеют тенденцию отталкиваться друг от друга, а нейтроны помогают удерживать ядро ​​вместе. Число протонов — это атомный номер , а число протонов плюс нейтроны — это атомная масса . Для водорода атомная масса равна 1, потому что есть один протон и нет нейтронов.Для гелия это 4: два протона и два нейтрона.

Для большинства из 16 легчайших элементов (вплоть до кислорода) количество нейтронов равно количеству протонов. Для большинства остальных элементов нейтронов больше, чем протонов, потому что дополнительные нейтроны необходимы, чтобы удерживать ядро ​​вместе, преодолевая взаимное отталкивание растущего числа протонов, сосредоточенных в очень маленьком пространстве. Например, в кремнии 14 протонов и 14 нейтронов. Его атомный номер 14, а атомная масса 28.Самый распространенный изотоп урана состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. Его атомный номер 92, а атомная масса 238 (92 + 146).

Рисунок 2.2 Изображение атома гелия.

Точка посередине — это ядро, а окружающее облако обозначает, где два электрона могут быть в любой момент. Чем темнее оттенок, тем больше вероятность того, что там будет электрон. Ангстрем (Å) составляет 10 -10 м. Фемтометр (фм) 10 -15 м. Другими словами, электронное облако атома гелия примерно в 100 000 раз больше его ядра.

Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, расположены в оболочках, также известных как «энергетические уровни». Первая оболочка может содержать только два электрона, а следующая оболочка может содержать до восьми электронов. Последующие оболочки могут содержать больше электронов, но самая внешняя оболочка любого атома вмещает не более восьми электронов. Электроны в самой внешней оболочке играют важную роль в связи между атомами. Элементы с полной внешней оболочкой инертны в том смысле, что они не вступают в реакцию с другими элементами с образованием соединений.Все они появляются в крайнем правом столбце периодической таблицы: гелий, неон, аргон и т. Д. Для элементов, не имеющих полной внешней оболочки, самые внешние электроны могут взаимодействовать с самыми внешними электронами соседних атомов, создавая химические связи. Конфигурации электронных оболочек 29 из первых 36 элементов перечислены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Конфигурации электронных оболочек некоторых элементов до элемента 36. (Инертные элементы с заполненными внешними оболочками выделены жирным шрифтом.)
Число электронов в каждой оболочке
Элемент Символ Атомный № Первая Второй Третий Четвертый
Водород H 1 1
Гелий He 2 2
Литий Li 3 2 1
Бериллий Be 4 2 2
Бор B 5 2 3
Углерод С 6 2 4
Азот N 7 2 5
Кислород O 8 2 6
фтор F 9 2 7
Неон Ne 10 2 8
Натрий Na 11 2 8 1
Магний мг 12 2 8 2
Алюминий Al 13 2 8 3
Кремний Si 14 2 8 4
фосфор -П, 15 2 8 5
сера S 16 2 8 6
Хлор Класс 17 2 8 7
Аргон Ар 18 2 8 8
Калий К 19 2 8 8 1
Кальций Ca 20 2 8 8 2
Скандий SC 21 2 8 9 2
Титан Ti 22 2 8 10 2
Ванадий В 23 2 8 11 2
Хром Cr 24 2 8 13 1
Марганец Mn 25 2 8 13 2
Утюг Fe 26 2 8 14 2
. . . . . . .
Селен SE 34 2 8 18 6
Бром руб. 35 2 8 18 7
Криптон Кр 36 2 8 18 8

Атрибуции

Рисунок 2.2
Атом гелия от Yzmo находится под CC-BY-SA-3.0

Структура атома

Обзор атомной структуры

Атомы состоят из частиц, называемых протонами, нейтронами и электронами, которые отвечают за массу и заряд атомов.

Цели обучения

Обсудить электронные и структурные свойства атома

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Атом состоит из двух областей: ядра, которое находится в центре атома и содержит протоны и нейтроны, и внешней области атома, которая удерживает свои электроны на орбите вокруг ядра.
  • Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, около 1,67 × 10-24 грамма, которую ученые определяют как одну атомную единицу массы (а.е.м.) или один Дальтон.
  • Каждый электрон имеет отрицательный заряд (-1), равный положительному заряду протона (+1).
  • Нейтроны — это незаряженные частицы, находящиеся в ядре.
Ключевые термины
  • атом : Наименьшее возможное количество вещества, которое все еще сохраняет свою идентичность как химический элемент, состоящее из ядра, окруженного электронами.
  • протон : положительно заряженная субатомная частица, составляющая часть ядра атома и определяющая атомный номер элемента. Он весит 1 а.е.м.
  • нейтрон : субатомная частица, составляющая часть ядра атома. Это бесплатно. По массе он равен протону или весит 1 а.е.м.

Атом — это наименьшая единица вещества, которая сохраняет все химические свойства элемента. Атомы объединяются в молекулы, которые затем взаимодействуют с образованием твердых тел, газов или жидкостей.Например, вода состоит из атомов водорода и кислорода, которые объединились в молекулы воды. Многие биологические процессы посвящены расщеплению молекул на составляющие их атомы, чтобы из них можно было собрать более полезную молекулу.

Атомные частицы

Атомы состоят из трех основных частиц: протонов, электронов и нейтронов. Ядро (центр) атома содержит протоны (положительно заряженные) и нейтроны (без заряда). Внешние области атома называются электронными оболочками и содержат электроны (отрицательно заряженные).Атомы имеют разные свойства в зависимости от расположения и количества их основных частиц.

Атом водорода (H) содержит только один протон, один электрон и не содержит нейтронов. Это можно определить, используя атомный номер и массовое число элемента (см. Понятие атомных номеров и массовых чисел).

Структура атома : Изображенные здесь элементы, такие как гелий, состоят из атомов. Атомы состоят из протонов и нейтронов, расположенных внутри ядра, а электроны находятся на орбиталях, окружающих ядро.

Атомная масса

Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, примерно 1,67 × 10 -24 граммов. Ученые определяют это количество массы как одну атомную единицу массы (а.е.м.) или один дальтон. Протоны схожи по массе, но заряжены положительно, а нейтроны не имеют заряда. Следовательно, количество нейтронов в атоме существенно влияет на его массу, но не на его заряд.

Электроны по массе намного меньше протонов, их вес составляет всего 9 единиц.11 × 10 -28 граммов, или примерно 1/1800 атомной единицы массы. Следовательно, они не вносят большой вклад в общую атомную массу элемента. При рассмотрении атомной массы принято игнорировать массу любых электронов и вычислять массу атома, исходя только из числа протонов и нейтронов.

Электроны вносят большой вклад в заряд атома, поскольку каждый электрон имеет отрицательный заряд, равный положительному заряду протона. Ученые определяют эти обвинения как «+1» и «-1».В незаряженном нейтральном атоме количество электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов внутри ядра. В этих атомах положительный и отрицательный заряды нейтрализуют друг друга, в результате чего получается атом без чистого заряда.

Протоны, нейтроны и электроны : Протоны и нейтроны имеют массу 1 а.е.м. и находятся в ядре. Однако протоны имеют заряд +1, а нейтроны не заряжены. Электроны имеют массу примерно 0 а.е.м., вращаются вокруг ядра и имеют заряд -1.

Изучение свойств электрона : Сравните поведение электронов с поведением других заряженных частиц, чтобы обнаружить такие свойства электронов, как заряд и масса.

Объем атомов

С учетом размеров протонов, нейтронов и электронов большая часть объема атома — более 99 процентов — фактически является пустым пространством. Несмотря на все это пустое пространство, твердые объекты не проходят сквозь друг друга. Электроны, окружающие все атомы, заряжены отрицательно и заставляют атомы отталкиваться друг от друга, не позволяя атомам занимать одно и то же пространство.Эти межмолекулярные силы не позволяют вам провалиться сквозь такой объект, как стул.

Interactive: создайте атом : создайте атом из протонов, нейтронов и электронов и посмотрите, как изменяются элемент, заряд и масса. Тогда сыграйте в игру, чтобы проверить свои идеи!

Атомный номер и массовое число

Атомный номер — это количество протонов в элементе, а массовое число — это количество протонов плюс количество нейтронов.

Цели обучения

Определите соотношение между массовым числом атома, его атомным номером, его атомной массой и количеством субатомных частиц.

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Нейтральные атомы каждого элемента содержат равное количество протонов и электронов.
  • Число протонов определяет атомный номер элемента и используется, чтобы отличить один элемент от другого.
  • Число нейтронов варьируется, в результате чего образуются изотопы, которые представляют собой разные формы одного и того же атома, которые различаются только количеством нейтронов, которыми они обладают.
  • Вместе количество протонов и количество нейтронов определяют массовое число элемента.
  • Поскольку изотопы элемента имеют несколько разные массовые числа, атомная масса рассчитывается путем получения среднего массового числа его изотопов.
Ключевые термины
  • массовое число : сумма количества протонов и количества нейтронов в атоме.
  • атомный номер : количество протонов в атоме.
  • атомная масса : Средняя масса атома с учетом всех его естественных изотопов.

Атомный номер

Нейтральные атомы элемента содержат равное количество протонов и электронов. Число протонов определяет атомный номер элемента (Z) и отличает один элемент от другого. Например, атомный номер углерода (Z) равен 6, потому что у него 6 протонов. Количество нейтронов может изменяться для получения изотопов, которые представляют собой атомы одного и того же элемента, имеющие разное количество нейтронов.Число электронов также может быть различным в атомах одного и того же элемента, в результате чего образуются ионы (заряженные атомы). Например, железо Fe может существовать в нейтральном состоянии или в ионных состояниях +2 и +3.

Массовое число

Массовое число элемента (A) — это сумма количества протонов и количества нейтронов. Небольшой вклад массы электронов не учитывается при вычислении массового числа. Это приближение массы можно использовать, чтобы легко вычислить, сколько нейтронов имеет элемент, просто вычтя количество протонов из массового числа.Протоны и нейтроны весят около одной атомной единицы массы или а.е.м. Изотопы одного и того же элемента будут иметь одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.

Атомный номер, химический символ и массовое число : Углерод имеет атомный номер шесть и два стабильных изотопа с массовыми числами двенадцать и тринадцать соответственно. Его средняя атомная масса 12,11.

Ученые определяют атомную массу, вычисляя среднее значение массовых чисел естественных изотопов.Часто полученное число содержит десятичную дробь. Например, атомная масса хлора (Cl) составляет 35,45 а.е.м., потому что хлор состоит из нескольких изотопов, некоторые (большинство) с атомной массой 35 а.е.м. (17 протонов и 18 нейтронов), а некоторые с атомной массой 37 а.е.м. (17 протонов и 20 нейтронов).

Зная атомный номер (Z) и массовое число (A), вы можете найти количество протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме. Например, атом лития (Z = 3, A = 7 а.е.м.) содержит три протона (находится из Z), три электрона (поскольку количество протонов равно количеству электронов в атоме) и четыре нейтрона (7 — 3 = 4).

Изотопы

Изотопы — это различные формы элементов, которые имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов.

Цели обучения

Обсудить свойства изотопов и их использование в радиометрическом датировании

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Изотопы — это атомы одного и того же элемента, содержащие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов.
  • Несмотря на разное количество нейтронов, изотопы одного и того же элемента имеют очень похожие физические свойства.
  • Некоторые изотопы нестабильны и при радиоактивном распаде превращаются в другие элементы.
  • Предсказуемый период полураспада различных распадающихся изотопов позволяет ученым датировать материал на основе его изотопного состава, например, с помощью датирования углерода-14.
Ключевые термины
  • изотоп : Любая из двух или более форм элемента, в которых атомы имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов в их ядрах.
  • период полураспада : время, необходимое половине исходной концентрации изотопа, чтобы вернуться в более стабильную форму.
  • радиоактивные изотопы : атом с нестабильным ядром, характеризующийся избыточной доступной энергией, который подвергается радиоактивному распаду и чаще всего создает гамма-лучи, альфа- или бета-частицы.
  • радиоуглеродное датирование : Определение возраста объекта путем сравнения отношения обнаруженной в нем концентрации 14C к количеству 14C в атмосфере.

Что такое изотоп?

Изотопы — это различные формы элементов, которые имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Некоторые элементы, такие как углерод, калий и уран, содержат несколько изотопов природного происхождения. Изотопы определяются сначала их элементом, а затем суммой присутствующих протонов и нейтронов.

  • Углерод-12 (или 12 C) содержит шесть протонов, шесть нейтронов и шесть электронов; следовательно, он имеет массовое число 12 а.е.м. (шесть протонов и шесть нейтронов).
  • Углерод-14 (или 14 C) содержит шесть протонов, восемь нейтронов и шесть электронов; его атомная масса 14 а.е.м. (шесть протонов и восемь нейтронов).

Хотя масса отдельных изотопов разная, их физические и химические свойства в основном не меняются.

Изотопы действительно различаются по стабильности. Углерод-12 ( 12 C) — самый распространенный изотоп углерода, составляющий 98,89% углерода на Земле. Углерод-14 ( 14 C) нестабилен и встречается только в следовых количествах.Нестабильные изотопы чаще всего испускают альфа-частицы (He 2+ ) и электроны. Также могут испускаться нейтроны, протоны и позитроны, а электроны могут быть захвачены для достижения более стабильной атомной конфигурации (более низкого уровня потенциальной энергии) посредством процесса, называемого радиоактивным распадом. Созданные новые атомы могут находиться в состоянии высокой энергии и испускать гамма-лучи, которые понижают энергию, но сами по себе не превращают атом в другой изотоп. Эти атомы называются радиоактивными изотопами или радиоизотопами.

Радиоуглеродное датирование

Углерод обычно присутствует в атмосфере в виде газообразных соединений, таких как диоксид углерода и метан. Углерод-14 ( 14 C) — это радиоизотоп природного происхождения, который создается из атмосферного 14 N (азота) путем добавления нейтрона и потери протона, вызванной космическими лучами. Это непрерывный процесс, поэтому в атмосфере всегда образуется больше 14 ° C. После производства 14 C часто соединяется с кислородом атмосферы с образованием диоксида углерода.Образовавшийся таким образом углекислый газ диффундирует в атмосфере, растворяется в океане и попадает в организм растений посредством фотосинтеза. Животные поедают растения, и в конечном итоге радиоуглерод распространяется по биосфере.

В живых организмах относительное количество 14 C в их теле примерно равно концентрации 14 C в атмосфере. Когда организм умирает, он больше не поглощает 14 C, поэтому соотношение между 14 C и 12 C будет снижаться по мере того, как 14 C постепенно уменьшается до 14 N.Этот медленный процесс, который называется бета-распадом, высвобождает энергию за счет испускания электронов из ядра или позитронов.

Примерно через 5730 лет половина начальной концентрации 14 C будет преобразована обратно в 14 Н. Это называется периодом полураспада или временем, которое требуется для получения половины исходной концентрации вещества. изотоп, чтобы вернуться в более стабильную форму. Поскольку период полураспада 14 C велик, его используют для датирования ранее существовавших объектов, таких как старые кости или дерево.Сравнивая отношение концентрации 14 C, обнаруженной в объекте, к количеству 14 C в атмосфере, можно определить количество изотопа, который еще не распался. На основе этого количества можно точно рассчитать возраст материала, если предполагается, что возраст материала составляет менее 50 000 лет. Этот метод называется радиоуглеродным датированием, или сокращенно углеродным датированием.

Применение углеродного датирования : Возраст углеродсодержащих останков менее 50 000 лет, таких как этот карликовый мамонт, можно определить с помощью углеродного датирования.

Другие элементы имеют изотопы с разным периодом полураспада. Например, 40 K (калий-40) имеет период полураспада 1,25 миллиарда лет, а 235 U (уран-235) имеет период полураспада около 700 миллионов лет. Ученые часто используют эти другие радиоактивные элементы для датирования объектов, возраст которых превышает 50 000 лет (предел углеродного датирования). Используя радиометрическое датирование, ученые могут изучать возраст окаменелостей или других останков вымерших организмов.

Обзор | Безграничная физика

Электрический заряд в атоме

Атомы содержат отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные протоны; количество каждого из них определяет чистый заряд атома.

Цели обучения

Определите факторы, определяющие чистый заряд атома

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Протон — положительно заряженная частица, расположенная в ядре атома. Электрон имеет [латекс] \ frac {1} {1836} [/ latex], умноженный на массу протона, но равный и противоположный отрицательный заряд.
  • Элементарный заряд протона или электрона приблизительно равен 1,6 × 10-19 кулонов.
  • В отличие от протонов, электроны могут перемещаться от атома к атому.Если у атома равное количество протонов и электронов, его чистый заряд равен 0. Если он получает дополнительный электрон, он становится отрицательно заряженным и известен как анион. Если он теряет электрон, он становится положительно заряженным и известен как катион.
Ключевые термины
  • ядро ​​: массивная положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов

Обзор атомных электрических зарядов

Атомы, фундаментальные строительные блоки всех молекул, состоят из трех типов частиц: протонов, нейтронов и электронов.Из этих трех типов субатомных частиц два (протоны и электроны) несут чистый электрический заряд, а нейтроны нейтральны и не имеют чистого заряда.

И протоны, и электроны имеют квантованный заряд. То есть величина их соответствующих зарядов, которые равны друг другу, равна 1. Это стандартное значение равно приблизительно 1,6 × 10 -19 кулонов.

Протонов

Протонов находятся в центре атома; они вместе с нейтронами составляют ядро.Протоны имеют заряд +1 и массу в 1 атомную единицу массы, что примерно равно 1,66 × 10 -24 граммов. Число протонов в атоме определяет идентичность элемента (например, атом с одним протоном — это водород, а атом с двумя протонами — это гелий). Таким образом, протоны относительно стабильны; их количество меняется редко, только в случае радиоактивного распада.

Электронов

Электронов находятся на периферии атома и имеют заряд -1.Они намного меньше протонов; их масса [латекс] \ frac {1} {1836} [/ latex] аму. Обычно при моделировании атомов протоны и нейтроны считаются неподвижными, а электроны движутся в пространстве за пределами ядра, как облако. Отрицательно заряженное электронное облако указывает области пространства, где, вероятно, могут быть обнаружены электроны. Структура электронных облаков чрезвычайно сложна и не имеет значения для обсуждения электрического заряда в атоме. Более важным является тот факт, что электроны лабильны; то есть они могут передаваться от одного атома к другому.Атомы заряжаются посредством электронного переноса.

Ионы

В основном состоянии атом будет иметь равное количество протонов и электронов и, таким образом, будет иметь общий заряд 0. Однако, поскольку электроны могут передаваться от одного атома к другому, атомы могут становиться заряженными. Атомы в таком состоянии известны как ионы.

Если нейтральный атом получает электрон, он становится отрицательным. Такой ион называется анионом.

Если нейтральный атом теряет электрон, он становится положительным.Такой ион называется катионом.

Устойчивый поток электронов называется током. Ток — это то, что течет по электрическим проводам и питает электронные устройства, от лампочек до телевизоров.

Electric Charge : краткий обзор атомов, ионов и электрического заряда.

Планетарная модель атома : Маленькие электроны вращаются вокруг большого и относительно неподвижного ядра протонов и нейтронов.

Свойства электрических зарядов

Электрический заряд — это фундаментальное физическое свойство материи, имеющее много параллелей с массой.

Цели обучения

Описывать свойства электрического заряда, такие как его релятивистская инвариантность и сохранение в замкнутых системах

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Заряд измеряется в кулонах (C), что составляет 6,242 × 10 18 e, где e — заряд протона. Заряды могут быть положительными или отрицательными, и, как таковой, единичный протон имеет заряд 1,602 × 10 −19 Кл, в то время как электрон имеет заряд -1.602 × 10 −19 С.
  • Электрический заряд, как и масса, сохраняется. Сила, создаваемая двумя зарядами, имеет ту же форму, что и сила, создаваемая двумя массами, и, как и сила тяжести, сила электрического поля является одновременно консервативной и центральной.
  • Электрический заряд — релятивистский инвариант. То есть заряд (в отличие от массы) не зависит от скорости. В то время как масса частицы будет экспоненциально расти по мере приближения ее скорости к скорости света, заряд останется постоянным.
Ключевые термины
  • кулон : В Международной системе единиц производная единица электрического заряда; количество электрического заряда, переносимого током в 1 ампер, протекающим в течение 1 секунды.Символ: C
  • .
  • гравитация : Результирующая сила притяжения земных масс на поверхности Земли и центробежная псевдосила, вызванная вращением Земли.
  • электрическое поле : область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.

Свойства электрического заряда

Электрический заряд, как и масса и объем, является физическим свойством материи. Единица СИ известна как кулон (C), что соответствует 6.242 × 10 18 e , где e — заряд протона. Начисления могут быть положительными или отрицательными; единичный протон имеет заряд 1,602 × 10 −19 Кл, а электрон имеет заряд -1,602 × 10 −19 Кл.

Инвариантность

Как и масса, электрический заряд в замкнутой системе сохраняется. Пока система непроницаема, количество заряда внутри нее не будет ни увеличиваться, ни уменьшаться; его можно только перенести. Однако электрический заряд отличается от других свойств, таких как масса, тем, что он является релятивистским инвариантом.То есть заряд вне зависимости от скорости . Масса частицы будет экспоненциально расти по мере приближения ее скорости к скорости света, однако ее заряд останется постоянным.

Независимость электрического заряда от скорости была доказана в эксперименте, в котором было доказано, что одно быстро движущееся ядро ​​гелия (два протона и два нейтрона, связанных вместе) имеет тот же заряд, что и два отдельных медленно движущихся ядра дейтерия (один протон и два нейтрона, связанных вместе). 2} [/ latex ]

где π и [латекс] \ epsilon_0 [/ latex] — константы.Это известно как закон Кулона.

Закон Кулона : силы (F 1 и F 2 ) суммируются, чтобы произвести полную силу, которая рассчитывается по закону Кулона и пропорциональна произведению зарядов q 1 и q 2 , и обратно пропорционально квадрату расстояния (r 21 ) между ними.

Формула силы тяжести имеет ту же форму, что и закон Кулона, но связывает произведение двух масс (а не зарядов) и использует другую константу.Оба действуют в вакууме и являются центральными (зависят только от расстояния между силами) и консервативными (независимо от пройденного пути). Однако следует отметить, что при сравнении аналогичных терминов взаимодействие на основе заряда существенно больше, чем взаимодействие на основе массы. Например, электрическое отталкивание между двумя электронами примерно в 10 42 раз сильнее их гравитационного притяжения.

Разделение заряда

Разделение зарядов, часто называемое статическим электричеством, представляет собой создание пространства между частицами с противоположными зарядами.

Цели обучения

Определите факторы, которые могут вызвать разделение заряда

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Поскольку электроны лабильны (т.е. они могут переноситься от атома к атому), возможно «разделение зарядов». Это явление часто называют статическим электричеством.
  • Разделение зарядов может быть создано за счет трения, давления, тепла и других зарядов.
  • Разделение заряда может достигать критического уровня, когда происходит его разрядка.Молния — частый пример.
Ключевые термины
  • разряд : акт высвобождения накопленного заряда
  • статическое электричество : электрический заряд, накопившийся на изолированном теле, часто из-за трения
  • ядро ​​: массивная положительно заряженная центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов

Вся материя состоит из атомов, состоящих из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов.В основном состоянии каждый атом имеет нейтральный заряд — его протоны и электроны равны по количеству, и он существует без постоянного диполя. Поскольку электроны лабильны (т.е. они могут переноситься от атома к атому), возможно явление «разделения зарядов» (часто называемое статическим электричеством).

Статическое электричество : из-за трения между ее волосами и пластиковой направляющей девушка слева создала разделение зарядов, в результате чего ее волосы были притянуты к направляющей.

В химии это разделение зарядов иллюстрируется просто переносом электрона от одного атома к другому при образовании ионной связи. В физике есть много других примеров разделения зарядов, которые нельзя описать как формальные химические реакции. Например, вы можете натереть волосы воздушным шариком. Когда вы вытащите воздушный шар, ваши волосы встанут дыбом и «дойдут» до воздушного шара. Это связано с тем, что электроны от одного переходят к другому, в результате чего один становится положительным, а другой — отрицательным.Таким образом, притягиваются противоположные обвинения. Похожий пример можно увидеть на слайдах игровой площадки (как показано на).

Разделение зарядов может происходить не только за счет трения, но и за счет давления, тепла и других зарядов. И давление, и тепло увеличивают энергию материала и могут заставить электроны вырваться на свободу и отделиться от своих ядер. Между тем заряд может притягивать электроны к ядру или отталкивать их. Например, ближайший отрицательный заряд может «оттолкнуть» электроны от ядра, вокруг которого они обычно вращаются.Разделение зарядов часто происходит в естественном мире. Он может иметь экстремальный эффект, если он достигает критического уровня, когда он разряжается. Молния — частый пример.

Поляризация

Диэлектрическая поляризация — это явление, возникающее при разделении положительных и отрицательных зарядов в материале.

Цели обучения

Определить два пути возникновения поляризации на молекулярном уровне

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Диэлектрики — это изоляторы, которые могут поляризоваться электрическим полем.То есть их заряды не могут течь свободно, но их все же можно заставить неравномерно перераспределяться.
  • Электрические поля, приложенные к атомам, отталкивают электроны от поля. В случае полярных молекул их отрицательные концы будут выстраиваться от поля, а положительные концы будут направлены к полю.
  • Мгновенная поляризация возникает, когда ионы в результате естественных случайных колебаний распределяются асимметрично, так что одна область более плотна с одним типом ионов, чем с другим.
Ключевые термины
  • дипольный момент : векторное произведение заряда на любом полюсе диполя на расстояние, разделяющее их.
  • диэлектрик : Электроизоляционный или непроводящий материал, рассматриваемый на предмет его электрической восприимчивости (т. Е. Его свойства поляризации при воздействии внешнего электрического поля).
  • изолятор : Вещество, не пропускающее тепло (теплоизолятор), звук (акустический изолятор) или электричество (электрический изолятор).

Понятие полярности очень широкое и может применяться к молекулам, свету и электрическим полям. Для целей этого атома мы сосредоточимся на его значении в контексте так называемой диэлектрической поляризации — разделения зарядов в материалах.

Диэлектрики

Диэлектрик — это изолятор, который может поляризоваться электрическим полем, а это означает, что это материал, в котором заряд не течет свободно, но в присутствии электрического поля он может изменять распределение заряда.Положительный заряд в диэлектрике будет перемещаться в сторону приложенного поля, а отрицательный заряд удаляться. Это создает слабое локальное поле внутри материала, которое противостоит приложенному полю.

Различные материалы по-разному реагируют на индуцированное поле в зависимости от их диэлектрической проницаемости. Эта константа — степень их поляризуемости (степень, в которой они становятся поляризованными).

Атомная модель

Самый простой взгляд на диэлектрики включает рассмотрение их заряженных компонентов: протонов и электронов.Если к атому приложить электрическое поле, электроны в атоме будут мигрировать прочь от приложенного поля. Однако протоны остаются относительно подверженными воздействию поля. Это разделение создает дипольный момент, как показано на.

.

Реакция атома на приложенное электрическое поле : При приложении электрического поля (E) электроны уносятся от поля. Их среднее положение смещено от среднего положения протонов (которые не переместились) на расстояние d.Дипольный момент атома представлен как M.

.

Дипольная поляризация

На молекулярном уровне поляризация может происходить как с диполями, так и с ионами. В полярных связях электроны больше притягиваются к одному ядру, чем к другому. Одним из примеров дипольной молекулы является вода (H 2 O), которая имеет изогнутую форму (угол HOH составляет 104,45 °) и в которой кислород отталкивает электронную плотность от атомов H, оставляя H относительно положительным и О относительно отрицательно, как показано на.

Молекула воды : Вода является примером дипольной молекулы, которая имеет изогнутую форму (угол HOH составляет 104,45 °) и в которой кислород отталкивает электронную плотность от атомов H, оставляя H относительно положительным, а O относительно отрицательно.

Когда диполярная молекула подвергается воздействию электрического поля, молекула выравнивается с полем, причем положительный конец направлен к электрическому полю, а отрицательный конец — от него.

Ионная поляризация

Ионные соединения — это соединения, образованные из ионов с постоянно разделенными зарядами.Например, поваренная соль (NaCl) образуется из ионов Na + и Cl , которые формально не связаны друг с другом химической связью, но очень сильно взаимодействуют из-за их противоположных зарядов.

Ионы все еще свободны друг от друга и, естественно, будут перемещаться случайным образом. Если им случится двигаться асимметричным образом, что приведет к большей концентрации положительных ионов в одной области и большей концентрации отрицательных ионов в другой, образец ионного соединения будет поляризован — явление, известное как ионная поляризация. .

Статическое электричество, заряд и сохранение заряда

Электрический заряд — это физическая собственность, постоянно сохраняемая в количестве; он может накапливаться в материи, которая создает статическое электричество.

Цели обучения

Сформулировать правила, применимые к созданию и уничтожению электрического заряда

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Электрический заряд — это физическое свойство материи, создаваемое дисбалансом количества протонов и электронов в веществе.
  • Charge можно создать или уничтожить. Однако любое создание или удаление заряда происходит при соотношении положительных и отрицательных зарядов 1: 1.
  • Статическое электричество — это когда на поверхности предмета собирается избыток электрического заряда.
Ключевые термины
  • электрический заряд : квантовое число, определяющее электромагнитные взаимодействия некоторых субатомных частиц; по соглашению, электрон имеет электрический заряд -1, а протон +1, а кварки имеют дробный заряд.
  • разряд : акт высвобождения накопленного заряда
  • статическое электричество : электрический заряд, накопившийся на изолированном теле, часто из-за трения

Электрический заряд — это физическое свойство материи. Это вызвано дисбалансом количества протонов и электронов в веществе. Материя заряжена положительно, если в ней больше протонов, чем электронов, и отрицательно, если электронов в ней больше, чем протонов.В обоих случаях заряженные частицы будут испытывать силу в присутствии другого заряженного вещества.

Заряды одного знака (положительный и положительный или отрицательный и отрицательный) будут отталкиваться друг от друга, тогда как заряды противоположного знака (положительный и отрицательный) будут притягиваться друг к другу, как показано на.

Заряды отталкивания и притяжения : Заряды одного знака (положительный и положительный, или отрицательный и отрицательный) будут отталкиваться друг от друга, тогда как заряды противоположного знака (положительный и отрицательный) будут притягиваться друг к другу.{18} [/ латекс] элементарные заряды. (Элементарный заряд — это величина заряда протона или электрона.)

Сохранение заряда

Заряд, как и материя, по существу постоянен во Вселенной и во времени. В физике сохранение заряда — это принцип, согласно которому электрический заряд не может быть ни создан, ни разрушен. Чистое количество электрического заряда, количество положительного заряда минус количество отрицательного заряда во Вселенной, всегда сохраняется.

Для любого конечного объема закон сохранения заряда (Q) можно записать в виде уравнения неразрывности:

[латекс] \ text {Q} (\ text {t} _2) = \ text {Q} (\ text {t} _1) + \ text {Q} _ {\ text {in}} — \ text {Q } _ {\ text {out}} [/ latex]

, где Q ( t 1 ) — заряд в системе в данный момент времени, Q ( t 2 ) — заряд в той же системе в более позднее время, Q в — это заряд, который поступил в систему между двумя моментами времени, а Q из — это сумма заряда, которая покинула систему между двумя моментами времени.

Это не означает, что отдельные положительные и отрицательные заряды не могут быть созданы или уничтожены. Электрический заряд переносится субатомными частицами, такими как электроны и протоны, которые могут быть созданы и разрушены. Например, при уничтожении частиц уничтожается равное количество положительных и отрицательных зарядов, при этом чистая величина заряда остается неизменной.

Статическое электричество

Статическое электричество — это когда на поверхности объекта собирается избыток электрического заряда.Это может быть связано с контактом материалов, повышением давления или тепла или наличием заряда. Статическое электричество также может быть создано за счет трения между воздушным шаром (или другим объектом) и человеческими волосами (см.). Его можно наблюдать в грозовых облаках в результате повышения давления; молния (см.) — разряд, возникающий после того, как заряд превышает критическую концентрацию.

Статическое электричество : из-за трения между ее волосами и пластиковой направляющей девушка слева создала разделение зарядов, в результате чего ее волосы были притянуты к направляющей.

Молния : Молния является ярким естественным примером статического разряда.

Проводники и изоляторы

По способности проводить ток материалы делятся на проводники и изоляторы.

Цели обучения

Определить проводники и изоляторы среди обычных материалов

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Удельное сопротивление, физическое свойство, которое измеряет способность материала проводить ток, является основным фактором при определении того, является ли вещество проводником или изолятором.
  • Проводники содержат электрические заряды, которые при воздействии разности потенциалов перемещаются к одному или другому полюсу. Этот поток заряда представляет собой электрический ток.
  • Изоляторы
  • — это материалы, в которых внутренний заряд не может свободно течь и, следовательно, не может проводить электрический ток в значительной степени под воздействием электрического поля.
Ключевые термины
  • проводник : Материал, содержащий подвижные электрические заряды.
  • изолятор : Вещество, не пропускающее тепло (теплоизолятор), звук (акустический изолятор) или электричество (электрический изолятор).
  • удельное сопротивление : Обычно сопротивление материала электрическому току; в частности, степень сопротивления материала потоку электричества.

Обзор

Все материалы можно разделить на изоляторы или проводники на основе физического свойства, известного как удельное сопротивление.

Изолятор — это материал, в котором под действием электрического поля электрические заряды не текут свободно — он имеет высокое сопротивление. И наоборот, проводник — это материал, который пропускает электрические заряды в одном или нескольких направлениях — его удельное сопротивление низкое.

Проводников

Все проводники содержат электрические заряды, которые при воздействии разности потенциалов перемещаются к одному или другому полюсу. Положительные заряды в проводнике будут перемещаться к отрицательному концу разности потенциалов; отрицательные заряды в материале будут двигаться к положительному концу разности потенциалов. Этот поток заряда представляет собой электрический ток.

Ионные вещества и растворы могут проводить электричество, но наиболее распространенными и эффективными проводниками являются металлы.Медь обычно используется в проводах из-за ее высокой проводимости и относительно невысокой цены. Однако позолоченные провода иногда используются в случаях, когда необходима особенно высокая проводимость.

У каждого проводника есть предел допустимой токовой нагрузки или величины тока, который он может проводить. Обычно это ток, при котором тепло, выделяемое из-за сопротивления, плавит материал.

Изоляторы

Изоляторы

— это материалы, в которых внутренний заряд не может свободно течь и, следовательно, не может проводить электрический ток в значительной степени под воздействием электрического поля.

Хотя не существует идеального изолятора с бесконечным удельным сопротивлением, такие материалы, как стекло, бумага и тефлон, обладают очень высоким удельным сопротивлением и в большинстве случаев могут эффективно служить изоляторами.

Так же, как проводники используются для передачи электрического тока по проводам, изоляторы обычно используются в качестве покрытия для проводов.

Изоляторы, как и проводники, имеют свои физические ограничения. Под воздействием достаточного напряжения изолятор испытает так называемый электрический пробой, при котором ток внезапно проникает через материал, когда он становится проводником.

Проводник и изолятор в проводе : Этот провод состоит из медного сердечника (проводника) и покрытия из полиэтилена (изолятора). Медь пропускает ток через провод, а полиэтилен гарантирует, что ток не уйдет.

Эксперимент Милликена с каплей нефти

В 1911 году Роберт Милликен с помощью заряженных капель масла смог определить заряд электрона.

Цели обучения

Объясните разницу в значении реального заряда электрона и заряда, измеренного Робертом Милликеном

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Эксперимент с масляной каплей включал ионизирующие капли масла, когда они падали через воздух, и уравновешивание силы тяжести с силой электрического поля, приложенного электродами над и под каплей.
  • Милликен не мог напрямую подсчитать количество электронов на каждой капле масла, но обнаружил, что общий знаменатель между всеми измеренными зарядами равен 1,5924 (17) × 10 −19 C, и, таким образом, пришел к выводу, что это значение было зарядом электрон.
  • Измеренное значение заряда электрона 1,5924 (17) × 10 −19 Кл отличается от принятого значения 1,602176487 (40) × 10 −19 Кл менее чем на один процент.
Ключевые термины
  • напряжение : величина электростатического потенциала между двумя точками в пространстве.
  • предельная скорость : Скорость, с которой объект в свободном падении, а не в вакууме, перестает ускоряться вниз, потому что сила тяжести равна силе сопротивления, действующей против него, и противоположна ей.
  • электрическое поле : область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.

Эксперимент с каплей масла

Эксперимент с каплей нефти, также известный как эксперимент Милликена с каплей нефти, является одним из самых влиятельных исследований в истории физической науки.

Эксперимент, проведенный Робертом Милликеном и Харви Флетчером в 1911 году, был разработан для определения заряда отдельного электрона, также известного как элементарный электрический заряд.

Милликен разработал свой эксперимент для измерения силы, действующей на масляные капли между двумя электродами.

Он использовал распылитель, чтобы распылить туман из крошечных капелек масла в камеру, в которой было отверстие. Некоторые капли падали через это отверстие в камеру, где он измерял их конечную скорость и вычислял их массу.

Милликен затем подвергал капли рентгеновскому излучению, которое ионизировало молекулы в воздухе и заставляло электроны присоединяться к каплям масла, тем самым делая их заряженными. Верх и низ камеры были прикреплены к батарее, и разность потенциалов между верхом и низом создавала электрическое поле, которое действовало на заряженные капли масла.

Точно регулируя напряжение, Милликен смог уравновесить силу тяжести (которая была направлена ​​вниз) с силой электрического поля на заряженные частицы (которое было приложено вверх), в результате чего капли масла зависли в воздухе. .

Упрощенная схема эксперимента Милликена с каплей масла : Этот прибор имеет параллельную пару горизонтальных металлических пластин. Между ними создается однородное электрическое поле. Кольцо имеет три отверстия для освещения и одно для просмотра в микроскоп. В камеру распыляется специальное масло для вакуумного аппарата, в котором капли приобретают электрический заряд. Капли попадают в пространство между пластинами, и ими можно управлять, изменяя напряжение на пластинах.

Милликен затем рассчитал заряд частиц, взвешенных в воздухе.2), а также энергию рентгеновских лучей, которые он использовал, он смог вычислить заряд.

Хотя заряд каждой капли был неизвестен, Милликен отрегулировал силу рентгеновских лучей, ионизирующих воздух, и измерил множество значений (q) от множества различных капель масла. В каждом случае измеренный заряд был кратен 1,5924 (17) × 10 −19 C. Таким образом, был сделан вывод, что элементарный электрический заряд составлял 1,5924 (17) × 10 −19 C.

Результаты были очень точными.Расчетное значение из эксперимента с каплей масла отличается менее чем на один процент от текущего принятого значения 1,602176487 (40) × 10 −19 C.

Эксперимент с масляной каплей оказал огромное влияние не только на определение заряда электрона, но и на то, что помог доказать существование частиц, меньших, чем атомы. В то время не было полностью признано, что протоны, нейтроны и электроны существуют.

Как элементы распадаются на протоны, электроны и нейтроны?

Это объяснение предоставлено командой Стивена Рекрофта и Джона Д.Суэйн, профессора физического факультета Северо-Восточного университета.

Сначала, вероятно, неплохо было бы рассмотреть, из чего состоит атом. По сути, он содержит ядро, содержащее некоторое количество (назовем его N) положительно заряженных протонов, которое окружено облаком (N) отрицательно заряженных электронов. Сила, удерживающая электроны и протоны вместе, — это электромагнитная сила. Число N говорит вам, какой у вас элемент: для водорода N равно 1, для гелия 2 и так далее.

Одна и та же электромагнитная сила, которая притягивает противоположно заряженные электроны и протоны, пытается оттолкнуть протоны (которые все имеют одинаковый заряд) друг от друга. Чтобы избежать этого разделения, в ядре задействуется другая частица: нейтрон. Подобно протону по массе, но без электрического заряда, нейтрон необходим для удержания ядра вместе. На коротких расстояниях (то есть внутри ядра) очень сильная сила, более мощная, чем электромагнетизм, захватывает и притягивает протоны и нейтроны.Для большинства элементов существует несколько возможностей относительно того, сколько нейтронов может поместиться в ядро, и каждый выбор соответствует разному изотопу этого элемента.

Предположим, вы хотите разорвать атом на части. Первое, что вам нужно сделать, это избавиться от электронов. Есть много способов сделать это. Вы можете направить свет на атом или подвергнуть его другому виду электромагнитного излучения с еще более короткой длиной волны. Кроме того, вы можете поразить его частицами, такими как электроны или другие атомы.На самом деле свет состоит из маленьких кусочков, называемых фотонами, поэтому сияющий свет на атоме — это просто особый случай столкновения его с другими частицами.

Heat тоже подойдет, но косвенно. Это заставляет атомы быстро двигаться и сталкиваться друг с другом. Первый электрон оторвется довольно легко, оставив объект с чистым положительным зарядом (так называемый ион). Каждый следующий электрон, как правило, сложнее отделить, поскольку он видит себя частью объекта с все более высоким положительным зарядом.

После того, как все электроны исчезнут, у вас останется только ядро. Поскольку сильная сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе, сильнее электромагнитной, разрушение ядра на части требует больше энергии, чем удаление электронов. Даже в этом случае принцип тот же: поразите его либо фотонами (но теперь с теми, которые имеют гораздо больше энергии, чем фотоны видимого света), либо любой из огромного зоопарка частиц, открытого физиками высоких энергий. Нейтроны особенно полезны, потому что у них нет электрического заряда.Таким образом, они могут лететь прямо в ядро, не испытывая препятствий со стороны электромагнитных сил. Обычно для того, чтобы извлечь вещество из ядра, требуется примерно в миллион раз больше энергии, чем для того, чтобы отделить электрон от атома.

Хотя мы говорили о поэтапном разделении атома на части, вы, конечно, можете чем-нибудь поразить весь атом (электроны и ядро); если ударить достаточно сильно, вы получите кучу кусочков и кусочков.

Возможно, стоит затронуть еще два момента.Во-первых, если вы достаточно сильно ударите по протонам и нейтронам, вы обнаружите, что они, в свою очередь, состоят из еще более мелких частей, называемых кварками. Кварки удерживаются вместе той же сильной силой, которая удерживает ядро ​​вместе (хотя детали того, как это работает в двух случаях, немного различаются). Пока что у нас нет доказательств того, что внутри электронов гремит что-то меньшее.

Второй момент заключается в том, что если вы ударяете по предметам при очень высоких энергиях, вы не просто получаете куски, но также создаете совершенно новые частицы, которых раньше не было! Теоретическая основа для описания этого процесса называется квантовой теорией поля, а область физики, которая специализируется на изучении создания и разрушения новых частиц, называется физикой высоких энергий.Есть надежда, что, достаточно глубоко заглянув внутрь материи — разбирая ее и создавая новые формы, — мы лучше поймем механизм, стоящий за вселенной, которую мы видим каждый день.

Почему атомы всегда содержат одинаковое количество электронов и протонов?

Категория: Химия Опубликовано: 7 июня 2013 г.

Атомы без равного количества электронов и протонов встречаются чаще, чем многие думают, например, атомы в поваренной соли.Public Domain Image, источник: Кристофер С. Бэрд.

Атомы не всегда содержат одинаковое количество электронов и протонов, хотя это состояние является обычным. Когда атом имеет равное количество электронов и протонов, он имеет равное количество отрицательных электрических зарядов (электронов) и положительных электрических зарядов (протонов). Таким образом, общий электрический заряд атома равен нулю, и атом называется нейтральным. Напротив, когда атом теряет или получает электрон (или более редкий случай потери или получения протона, что требует ядерной реакции), общие заряды в сумме не равны нулю.Тогда говорят, что атом электрически заряжен или «ионизирован». Существует большая разница между нейтральным состоянием и ионизированным состоянием. В нейтральном состоянии атом имеет слабое электромагнитное притяжение к другим атомам. Обратите внимание, что электрическое поле нейтрального атома слабое, но не совсем равно нулю, потому что атом не точечная частица. Если другой атом подойдет достаточно близко к атому, они могут начать делиться электронами. Химически мы говорим, что атомы образовали связи.

В отличие от нейтральных атомов, поле ионизированного атома велико даже на больших расстояниях.Сильное электрическое поле ионов заставляет их сильно притягиваться к другим атомам и молекулам до такой степени, что они обладают высокой химической реактивностью. Ионизированные атомы могут быть свободными радикалами, то есть атомами с оборванной связью, которые обладают высокой реакционной способностью. В организме человека свободные радикалы могут реагировать с ДНК, что приводит к мутациям и, возможно, к раку. Атомы становятся ионизированными, когда свет с достаточной энергией сбивает часть их электронов. Только световые волны на частотах рентгеновских и гамма-лучей обладают достаточной энергией для ионизации атомов и, следовательно, приводят к раку.Канцерогенная сила только определенных частот — вот почему вы можете использовать свой мобильный телефон столько, сколько захотите, но получить рентгеновский снимок можно только в редких случаях. Свободные радикалы встречаются в вашем теле естественным образом. Они становятся опасными только тогда, когда свободных радикалов больше, чем может выдержать ваше тело.

Но не все ионы в организме плохие. Из-за заряженной природы ионов человеческое тело использует их для передачи электрических сигналов по нервам. Организм также использует ионы для контроля уровня жидкости и артериального давления.Наиболее часто используемые ионы в организме человека — это натрий, калий, кальций, магний и хлорид. Ионы также образуются всякий раз, когда вы электростатически заряжаете объект, например, когда вы натираете воздушный шар о волосы. По этой причине вашу сушильную машину можно рассматривать как ионный генератор. Когда одежда натирается в машине, электроны переходят от одного атома к другому. Результатом является знакомое всем статическое цепляние. Электричество и сильные электрические поля создают ионы (вспомните молнии).

Нейтральное состояние атома обычно является наиболее стабильной конфигурацией (если молекулярные связи и химическое окружение не усложняют картину), поэтому ионы имеют тенденцию разряжаться и возвращаться в свое нейтральное состояние с течением времени. Причина этого в том, что как ион атом имеет сильное электрическое поле, которое притягивает необходимый электрон или необходимый атом, чтобы забрать свой лишний электрон. Но как только атом становится нейтральным, он имеет равное количество электронов и протонов, у него не очень сильное поле, и поэтому у него мало возможностей для изменения.

Темы: атом, атомы, заряд, электромагнетизм, электрон, электроны, ион, ионизация, ионизация, нейтральные атомы, протон, протоны, статика

вопросов и ответов — Как узнать количество протонов, электронов и нейтронов в атоме элемента?

Сколько протонов, электронов и нейтронов содержится в атоме криптона, углерода, кислорода, неона, серебра, золота и т. Д.?

Чтобы узнать количество протонов, электронов и нейтронов в атоме, просто выполните следующие простые шаги:

Шаг 1 — Сбор информации

Первое, что вам нужно сделать, это найти некоторую информацию о вашем элементе.Перейдите к Периодической таблице элементов и щелкните свой элемент. Если это упростит задачу, вы можете выбрать свой элемент из алфавитного списка.

Используйте Таблицу элементов, чтобы найти атомный номер и атомный вес вашего элемента. Атомный номер — это номер, расположенный в верхнем левом углу, а атомный вес — это номер, расположенный внизу, как в этом примере для криптона:

Шаг 2 — Количество протонов …

The атомный номер — это количество протонов в атоме элемента.В нашем примере атомный номер криптона 36. Это говорит нам, что атом криптона имеет 36 протонов в своем ядре.

Здесь интересно то, что каждый атом криптона содержит 36 протонов. Если в атоме нет 36 протонов, это не может быть атом криптона. Добавление или удаление протонов из ядра атома создает другой элемент. Например, удаление одного протона из атома криптона создает атом брома.

Шаг 3 — Количество электронов…

По определению, атомы не имеют полного электрического заряда. Это означает, что должен быть баланс между положительно заряженными протонами и отрицательно заряженными электронами. Атомы должны иметь равных количества протонов и электронов. В нашем примере атом криптона должен содержать 36 электронов, так как он содержит 36 протонов.

Электроны особым образом расположены вокруг атомов. Если вам нужно знать, как электроны расположены вокруг атома, взгляните на «Как мне читать таблицу электронной конфигурации?» страница.

Атом может приобретать или терять электроны, становясь так называемым ионом . Ион — это не что иное, как электрически заряженный атом. Добавление или удаление электронов из атома не меняет его элемент, только его чистый заряд.

Например, при удалении электрона из атома криптона образуется ион криптона, который обычно записывается как Kr + . Знак плюс означает, что это положительно заряженный ион. Он заряжен положительно, потому что из атома был удален отрицательно заряженный электрон.Число оставшихся 35 электронов было меньше 36 положительно заряженных протонов, что привело к заряду +1.

Шаг 4 — Количество нейтронов …

Атомный вес в основном является мерой общего числа частиц в ядре атома . На самом деле все не так чисто. Атомный вес на самом деле является средневзвешенным значением всех встречающихся в природе изотопов элемента по отношению к массе углерода-12. Не понял этого? Неважно.Все, что вам действительно нужно найти, — это массовое число . К сожалению, массовое число не указано в Таблице элементов. К счастью, чтобы найти массовое число, все, что вам нужно сделать, это округлить атомный вес до ближайшего целого числа . В нашем примере массовое число криптона равно 84, поскольку его атомный вес 83,80 округляется до 84.

Массовое число — это количество частиц в ядре атома. Помните, что ядро ​​состоит из протонов и нейтронов.Итак, если мы хотим, мы можем написать:

Массовое число = (Число протонов) + (Число нейтронов)

Для криптона это уравнение принимает следующий вид:

84 = (Число протонов) + (Число нейтронов)

Если бы мы только знали, сколько протонов у криптона, мы могли бы вычислить, сколько в нем нейтронов. Подождите … Мы с по знаем, сколько протонов у криптона! Мы сделали это еще в Step 2 ! Атомный номер (36) — это количество протонов в криптоне.Подставляя это в уравнение, мы получаем:

84 = 36 + (количество нейтронов)

Какое число, добавленное к 36, дает 84? Надеюсь, вы сказали 48. Это количество нейтронов в атоме криптона.

Здесь интересно то, что добавление или удаление нейтронов из атома не создает другого элемента. Скорее, он создает более тяжелую или более легкую версию этого элемента. Эти разные версии называются изотопами, и большинство элементов на самом деле представляют собой смесь разных изотопов.

Если бы вы могли захватить атомы криптона и подсчитать количество нейтронов, которые у каждого из них были, вы бы обнаружили, что у большинства из них будет 48, у других 47, у кого-то 50, у кого-то 46, у некоторых 44 и очень немногие будут иметь 42. Вы бы посчитали разное количество нейтронов, потому что криптон представляет собой смесь шести изотопов.

В итоге …

Для любого элемента:

Количество протонов = атомный номер

Количество электронов = количество протонов = атомный номер

Количество нейтронов = массовое число — атомный номер

Для криптона:

Число протонов = атомный номер = 36

Число электронов = Число протонов = атомный номер = 36

Число нейтронов = массовое число — атомный номер = 84 — 36 = 48

Связанные страницы:

Математическая игра с элементами

Все об атомах

Видео — Как нарисовать атом!

Периодическая таблица элементов

Сколько электронов умещается в каждой оболочке атома?

Как прочитать таблицу электронной конфигурации?

Как определить, сколько протонов, нейтронов и электронов в атоме?

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *