Что у атома внутри

Валерия Сирота
«Квантик» №11, 2018

Слово «атом» по-гречески значит ‘неделимый’. Ещё древние греки придумали идею, что всё на свете, как из кирпичиков, сложено из крошечных «кусочков» — атомов. Но это было лишь одно из возможных предположений. Что это за кусочки и существуют ли они, никто не знал до XIX века, когда химики разобрались, что такое молекула, и составили список видов атомов — таблицу химических элементов.

А в самом конце XIX века вдруг выяснилось, что атом вовсе не неделимый! Он состоит из крошечного тяжёлого ядра и очень лёгких электронов, крутящихся вокруг. Потом оказалось, что и ядро можно разделить на части (хотя и очень трудно!): оно состоит из двух очень похожих видов частиц — протонов и нейтронов. Их массы почти равны, а у электрона масса почти в 2000 раз меньше (соотношение примерно как между человеком и мышкой).

Главное различие между этими частицами в том, что протоны притягивают электроны (и сами к ним притягиваются). А два протона (или два электрона) отталкиваются друг от друга с такой же силой. Эти силы называются

электрическими. Нейтроны же вовсе не притягивают электроны, да и между собой и с протонами хоть и взаимодействуют, но совсем по-другому (про это мы скажем чуть ниже): в электрическом взаимодействии они не участвуют.

Договорились считать, что у протонов положительный электрический заряд, у электронов — отрицательный. А у нейтронов электрический заряд — ноль. Получается правило: одинаковые по знаку заряды отталкиваются, заряды разного знака — притягиваются.

Не путайте электрическую силу с гравитационным притяжением! В самом деле, все тела, имеющие массу, притягивают друг друга. Но эта сила крошечная даже для таких «средне-тяжёлых» тел, как, например, мы с вами. Большая она только тогда, когда одно из тел очень тяжёлое — звезда, планета или хотя бы астероид. А сила гравитационного притяжения протонов (и тем более протона и электрона) ничтожна.

Электрическая сила, напротив, очень велика: если бы можно было закрепить в каком-то месте протон (и воздух, конечно, убрать), а в трёх сантиметрах над ним поместить другой протон, то второй протон не упал бы вниз, а полетел бы вверх — отталкивание одного протона сильнее гравитационного притяжения всей Земли!

Обычно вещи вокруг нас не имеют электрического заряда — в них столько же электронов, сколько и протонов. Но от некоторых атомов электроны довольно легко отрываются. И вот если отодрать от атомов одного предмета тысячу или миллион-другой электронов и «прицепить» к атомам другого предмета, эти два предмета окажутся заряжены: один — положительно (в нём протонов больше, чем электронов), а другой — отрицательно (в нём лишние электроны). А ведь тысяча протонов, если они рядом, притягивают каждый электрон в тысячу раз сильнее, чем один протон. И начнут эти два предмета притягиваться друг к другу… Случалось вам видеть что-нибудь похожее? Например, когда вы старательно причёсываетесь пластмассовой расчёской, а волосы сами собой поднимаются ей навстречу?

И ещё. В отличие от, например, животных одного вида, которые всё-таки немножко отличаются друг от друга, все протоны (или все нейтроны, или электроны) совершенно одинаковы. Так что, например, электрон, «потерявший» свой атом, уже не сможет найти его среди других таких же…

Электрическое притяжение к протонам и держит электроны в атоме, не даёт им улететь. Как мы вскоре убедимся, оно же скрепляет атомы в молекулы. Но не только! Оно же заставляет молекулы одних тел действовать на молекулы других. Если не считать силы гравитационного притяжения, с которой все мы знакомимся с детства (глядя, как падают на пол выпущенные из руки игрушки), все остальные наблюдаемые нами физические явления вызваны как раз электрической силой. Упругость пружины, трение, прилипание разных вещей друг к другу или, наоборот, их взаимное отталкивание — за всё это отвечает взаимодействие электронов одних атомов с ядрами и электронами других.

Но вернёмся к нашим атомам. В нормальной ситуации атом электронейтрален, то есть не имеет заряда: у него электронов столько, сколько протонов в ядре. Если это не так (например, кто-то похитил у атома электрон или атом где-то захватил себе чужой), такой «калечный» атом называется ионом. Тогда он заряжен — положительно, если электронов не хватает, и отрицательно, если есть лишние.

Протоны притягивают к себе электроны и заставляют их вертеться вокруг ядра, не улетая далеко. А нейтроны в электрическом взаимодействии не участвуют. Зачем же они тогда нужны? Затем, чтобы «склеивать» протоны в ядре — ведь протоны отталкиваются друг от друга электрическими силами, и без нейтронов они бы разлетелись в разные стороны! Силы, которыми нейтроны удерживают протоны вместе, — уже не электрические. Они действуют только на очень маленьких расстояниях — внутри ядра.

Теперь можно догадаться, чем отличаются друг от друга разные сорта атомов: у них разное количество электронов. И, соответственно, протонов в ядре. Номер элемента в таблице Менделеева (число, написанное крупно в правом верхнем углу каждой клетки) — это число протонов в атомах этого элемента. А как узнать количество нейтронов? По массе атома, ведь массы протонов и нейтронов равны! Например, в атоме водорода — самом маленьком и самом лёгком — всего один протон. А в ядре атома гелия два протона, и при этом атом гелия в 4 раза тяжелее атома водорода. Электроны не в счёт — значит, в ядре гелия 2 нейтрона!

Масса атома — в единицах массы водорода — написана в каждой клетке внизу. Легко убедиться, что у нетяжёлых атомов нейтронов примерно столько же, сколько протонов. А у тяжёлых — нейтронов больше: всё труднее становится удерживать всю эту громоздкую конструкцию.

Но почему эта масса нецелая? Не может же, например, у хлора быть 18 с половиной нейтронов? Конечно, нет. Просто это значит, что в природе бывают атомы с 17 электронами, 17 протонами и 18 нейтронами, а бывают такие, у которых электронов и протонов столько же, а число нейтронов отличается. И те и другие — атомы хлора, ведь электронов и протонов столько же. Такие «подвиды» атомов одного вида называют

изотопами. В таблице Менделеева написана средняя масса атомов каждого вида (с учётом распространённости их изотопов).

В большинстве клеток средняя масса близка к целому числу. Это значит, что, как правило, в природе больше всего какого-то одного изотопа атомов каждого вида, а атомы с другим количеством нейтронов встречаются не так уж часто. Почти всегда можно не обращать на них внимания и округлять массу до ближайшего целого числа.{3}_{1}\mathrm{H}\) — сверхтяжёлый водород, тритий.

Ну-ка, проверим — всё ли понятно?

Художник Мария Усеинова

---

 А разобрались ли вы? Для проверки и чтобы понять, как непросто было до всего этого догадаться, предлагаем вам решить «контрольную задачу» в конце статьи.

 Вообще-то, когда договаривались, про электроны и протоны ещё ничего не знали — это было лет за 150 до их открытия. Тогда положительным назвали заряд, который получается на стекле, если его потереть шёлковой тряпочкой. Теперь мы знаем, что электроны со стекла «убегают» на шёлк.

 Зато на этих маленьких расстояниях они очень большие — надо ведь «победить» электрическое отталкивание! Поэтому они так и называются — «сильные силы» (

strong force), сильное взаимодействие.

 Тут мы чуть-чуть обманываем читателя, но это не беда: дальше придётся обманывать ещё сильнее…

Пора посмотреть правде в глаза

Вадим Прибытков, постоянный корреспондент Терры Инкогнита.

Нейтроны состоят из протонов и электронов.

Резерфорд считал, что возможно существование нейтральной частицы с массой протона, вокруг которой вращается на близкой орбите электрон. Таким образом, честь открытия нейтрона, во всяком случае, теоретическая, принадлежит Резерфорду. В 1932 г.

Д. Чедвик, которого в настоящее время считают первооткрывателем нейтронов, подтвердил, что излучение, открытое в 1930 г. Боте и Беккером, состоит из нейтронов.

Важная роль электронов в строении нейтронов заключается в том, что они принимают непосредственное участие в строении ядра и обеспечивают совместно с протонами создание нейтральных частиц, без которых построение ядер невозможно. Соединение в одном ядре протона и нейтрона наиболее отчетливо можно представить на примере ядра дейтерия. Чтобы объединить протон с протоном должна быть обратная сила, такой силой является электрон.

То, что нейтрон представляет сложное образование, видно из того, что нейтрон, находящийся в свободном состоянии, распадается на протон и электрон. Силы, действующие в ядре дейтерия между протоном и нейтроном—все те же электрические силы взаимного притяжения и отталкивания.

Присутствие электрона на орбите вокруг протона делает такой протон отличным от обычного протона. Отличным в такой степени, что нейтрон воспринимается в ядре как противоположность протону. И это действительно так. Протоны и нейтроны играют в ядрах разную роль из-за отличия в наружных силах притяжения, и протоны связываются между собой в ядре через нейтроны, а нейтроны через протоны.

Из стабильных ядер только ядро водорода-I не содержит в себе нейтрона. В остальных стабильных ядрах нейтронов или столько же, сколько протонов, или больше. Однако это не дает права утверждать, что половина массы вещества заключена в нейтронах. Если говорить точно, то вся масса вещества заключена в протонах, электронах и электромагнитных квантах в пропорциях их масс. Крупнейшие процессы движения и превращения вещества во Вселенной связаны с превращением атомных ядер и составляющих их протонов и электронов, единственных аккумуляторов энергии.

Свойства атомных ядер и характер их превращений определяются силами взаимодействия протонов и нейтронов. Эти силы взаимодействия хорошо известны—это все те же электрические силы, как это наглядно видно на ядрах водорода, действующие как в ядрах, так и в атомах. Поэтому свойства атомных ядер можно предсказать с таким же успехом, как и свойства атомов, потому что между процессами и силами взаимодействия (за исключением их величин) имеется определенное сходство.

Считается, что ядерные силы не являются центральными и не могут быть описаны простой функцией расстояния, как, например, электрические или гравитационные силы, хотя атом водорода опровергает подобное мнение. По существующей схеме на внутриядерных расстояниях действуют какие-то особые ядерные силы, которые потом почему-то пропадают, хотя они и являются самыми мощными, а вместо них неизвестно откуда возникают электрические силы, а потом силы тяготения, распространяющиеся на гигантские расстояния, хотя они и являются из них самыми слабыми. Это неверно. В действительности существуют лишь электрические силы: это силы взаимодействия между протонами и электронами, силы отталкивания между одноименно заряженными частицами.

Согласно существующей теории тяжелые элементы образовались в природе из более легких путем последовательного захвата нейтронов. Но откуда при этом взялись нейтроны—умалчивается.

Этому противоречит радиоактивность свободного нейтрона, имеющего период полураспада в 12 минут. В действительности нейтроны образуются в ядрах путем захвата ближайшего к ядру электрона (К-захват).

Понимание сил, действующих внутри ядра, как сил электрического притяжения и отталкивания, дает возможность построить модели ядер любых элементов и их изотопов. Это также несовместимо с многочисленными гипотезами относительно возможности существования «нейтронной жидкости», «нейтронной материи» и т.д.

Почему мы говорим о том, что электрические силы являются единственными в природе? Как уже говорилось, об этом свидетельствует ядро водорода—протон. Протон располагает одной единственной силой—электрическим отталкиванием по отношению к другому протону и электрическим притяжением по отношению к электрону. Но ведь водород составляет 70-80 процентов у всех видимых звезд. Следовательно, 70-80 процентов видимой материи заведомо располагает только электрическими силами. Но ведь и остальная материя состоит из протонов и электронов. Значит и она подчиняется тем же закономерностям.

Характерно, что в составе первичных частиц космического излучения нейтронов нет. Это также говорит о том, что нейтрон является типичной внутриядерной структурой, рождается в ядрах и существует в устойчивом состоянии также только в ядрах.

Резерфорд предсказал существование и строение нейтрона.

Как мы видим, он был намного дальновиднее последующих теоретиков, утверждавших, что в составе ядер электронов быть не может. Это противоречит строению ядер атомов. Пора посмотреть правде в глаза.

Загадка похудевшего протона | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW

Хотя общепринятая в физике элементарных частиц так называемая Стандартная модель является весьма стройной теоретической конструкцией, а предсказанные ею явления и эффекты с высокой точностью подтверждаются экспериментально, она все же не может считаться последним и окончательным словом в этой области знаний. И не только потому, что, описывая электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия, Стандартная модель не объясняет гравитацию, но еще и потому, что в последние годы исследователи в ходе сложных экспериментов все чаще получают результаты, не поддающиеся интерпретации в ее рамках.

Здесь можно упомянуть, скажем, о нейтринных осцилляциях, об асимметрии материи и антиматерии, о темном веществе и темной энергии и ряде других наблюдений, объяснить которые Стандартная модель не в состоянии. Неудивительно, что разработка так называемой «новой физики», то есть физики за пределами Стандартной модели, ведется сегодня чрезвычайно активно.

Старый знакомый протон

Прежде всего, это касается, конечно же, поиска и изучения разного рода экзотических частиц вроде бозона Хиггса, но не только. Теперь весьма неожиданные результаты получены и в отношении такой, казалось бы, хорошо изученной частицы как протон. Протон — частица, входящая в состав атомного ядра. Таких частиц, образующих атомное ядро и называющихся нуклонами, всего две: протон и нейтрон. Они по всем параметрам очень похожи друг на друга, с той лишь разницей, что протон — положительно заряженная частица, а нейтрон электрического заряда не несет.

Полвека назад считалось, что протон и нейтрон — неделимые, действительно элементарные частицы, однако сегодня известно, это не так. Они состоят из так называемых кварков — частиц, обладающих электрическим зарядом, кратным 1/3 заряда электрона, и не встречающихся в свободном состоянии. Существует 6 сортов (или, как их именуют физики, ароматов) кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, нейтрон — из одного верхнего и двух нижних.

Два метода — один результат

Понятно, что при наличии такой структуры представлять себе нуклон в виде миниатюрного шарика не вполне верно, и это, конечно, затрудняет определение линейных размеров частицы. Тем не менее, такие измерения были выполнены, и даже не одним, а двумя разными методами. Альдо Антоньини (Aldo Antognini), научный сотрудник Швейцарской высшей технической школы Цюриха, поясняет: «Первый метод, примененный для определения размеров протона, состоял в бомбардировке водорода быстрыми электронами. Ядра атомов водорода — то есть протоны — рассеивали пучок электронов, и углы отклонения электронов от первоначальной траектории позволили определить приблизительный размер протона. За эти исследования в 1961 году была присуждена Нобелевская премия».

Позже был предложен второй метод, заключавшийся в облучении водородных атомов лазером. Анализируя то, как единственный электрон водорода реагирует на лазерные импульсы, исследователи смогли вычислить величину ядра. Оба метода дали идентичные результаты, и ученые решили, что диаметр протона (если все же принять его за шар) составляет примерно 0,88 фемтометра (фемтометр — это десять в минус пятнадцатой степени метра, то есть одна миллионная доля одной миллионной доли миллиметра).

Атом водорода с мюоном вместо электрона

Все было отлично до тех пор, пока Альдо Антоньини и его коллеги не предложили третий метод измерения размера протона. «В нашем эксперименте мы использовали мюонный водород. Это весьма экзотическая разновидность водорода, в атоме которого электрон заменен мюоном, — поясняет ученый. — У мюона такой же заряд, что и у электрона, но масса в 207 раз больше, поэтому мюонная оболочка такого атома водорода оказывается гораздо ближе к ядру, нежели электронная оболочка обычного водородного атома. Именно это и позволило нам с высокой точностью определить размер протона».

Стоит ли говорить о том, каких невероятных трудов это стоило! Мюоны просто так в природе практически «не водятся», так что исследователи получали их с помощью ускорителя, а затем бомбардировали ими протоны. Время от времени случалось, что протон захватывал пролетающий мимо мюон, образуя атом мюонного водорода. Но мюон — частица нестабильная, продолжительность ее жизни составляет чуть больше 2 микросекунд, затем она распадается. Таким образом, на измерения у физиков было всего лишь 2 микросекунды.

Ошибка эксперимента или новая физика?

Однако эксперимент все же удался. Но вот его результаты, опубликованные в журнале Science, изрядно озадачили ученых. «Мы были очень удивлены, поскольку получили значение, почти на 5 процентов меньшее прежнего: 0,84 вместо 0,88 фемтометра, — говорит Альдо Антоньини. — Это весьма существенное отклонение. Для его объяснения есть только две возможности: либо в наши эксперименты вкралась какая-то грубая ошибка, либо тут проявилась новая физика».

Чтобы прояснить ситуацию, потребуется обширная серия новых экспериментов. Возможно, при этом исследователи выявят неточности того или иного метода измерения и подтвердят либо прежнее, либо новое значение диаметра протона. Но не исключено также, что будет подтверждена зависимость размера протона от метода измерения: если использовать для этих целей электроны — он чуть больше, если мюоны — чуть меньше. Такое различие в поведении протона по отношению к электронам и мюонам противоречило бы Стандартной модели и потребовало бы от теоретиков немало находчивости для объяснения феномена.

Как измерить непредставимое и представить неизмеримое

Физики смогли определить характерный размер протона с беспрецедентной точностью

Точное измерение характерного размера протона принципиально важно для расчета уровней энергии и частот излучения атомов. Иллюстрация с сайта www.jlab.org

Журнал Nature опубликовал небольшую статью с результатами эксперимента, проведенного в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США «A small proton charge radius from an electron-proton scattering experiment» («Малый радиус заряда протона, полученный из эксперимента по электрон-протонному рассеянию»). Почему это важно.

Протон вместе с нейтронами входит в состав ядер всех известных химических элементов. С параметрами протона напрямую связаны некоторые фундаментальные физические постоянные. В частности, постоянная Ридберга, используемая для расчета уровней энергии и частот излучения атомов. Специальная международная комиссия CODATA отслеживает все результаты измерений фундаментальных констант. Теперь работы экспертам комиссии прибавится.

Протон почти не виден

Польскому поэту и философу Станиславу Ежи Лецу принадлежит замечательный афоризм: «И размеры Вселенной могут быть военной тайной». Недаром английский астрофизик Стивен Хокинг в 1990 году подчеркивал: «Очень трудно доказать беспредельность Вселенной, но если мы это сделаем, то сможем объяснить все во Вселенной, основываясь на гипотезе о ее беспредельности, и я думаю, что такая теория будет более экономной и более естественной». Но как минимум неменьшая тайна – размеры объектов на другом конце шкалы масштабов: атомы, не говоря уже об элементарных частицах. И квантовая физика, изучающая эти объекты, существование которых зачастую и представить можно только в виде математической формулы, тоже претендует на объяснение всего во Вселенной.

Действительно, если астрофизические события и объекты мы можем наблюдать и/или визуализировать непосредственно, хотя и с задержкой, порой в миллиарды лет, то получить изображение элементарных частиц не удается принципиально. Не удавалось…

Еще каких-то 10 лет назад можно было, не покривив против «истины» (беру в кавычки, так как абсолютная истина – это все-таки идеальная модель), сказать: «До сих пор считалось, что сфотографировать атом водорода нет никакой технической и технологической возможности. Недаром в современных учебных пособиях для студентов можно прочитать, что «…атомы лежат за пределами нашего восприятия, их нельзя ни увидеть, ни услышать. Атомистические представления не могут возникнуть и из мифа, поскольку миф всегда использует наглядные образы» (см. «НГ-науку» от 24.11.10).

Но как раз в 2010 году физики из Токийского университета сумели впервые в истории сфотографировать отдельный атом водорода. Достижение феноменальное и, казалось, предельное. Проще атома водорода вроде бы природа ничего не создала. Ядро, роль которого играет положительно заряженная элементарная частица, – протон, а вокруг «размыт» по орбите отрицательно заряженный электрон. Диаметр атома водорода примерно 10–8 см, размеры ядра – 10–13 см. Представьте себе, что электрон вращается вокруг шпиля Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова с диаметром орбиты вращения 1 км. Тогда размеры ядра атома на шпиле – не более горошины.

И вот в минувшем ноябре журнал Nature сообщает очередную порцию новостей об… устройстве этой самой «горошины».

До 2010 года измерения радиуса протона проводились двумя методами: рассеяния электронов и атомной спектроскопии. В экспериментах по рассеянию электронов радиус заряда протона определяется по изменению пути электронов после того, как они отразились или рассеялись от протона (упругое электрон-протонное рассеяние). В измерениях методом атомной спектроскопии фиксируются переходы между энергетическими уровнями электронов, вращающихся вокруг ядра водорода или дейтерия. Оба эти метода давали значение радиуса протона около 0,88 фемтометра.

Для постановки нового эксперимента по измерению радиуса протона пришлось  существенно модернизировать ускоритель непрерывных электронных пучков CEBAF.  Фото с сайта www.jlab.org

В 2010 году физики опробовали новый вариант метода атомной спектроскопии, заменив электроны на мюоны, которые вращаются намного ближе к протону и более чувствительны к радиусу заряда последнего. Этот результат дал значение, которое было на 4% меньше: примерно 0,84 фемтометра. «…Новый метод с использованием мюонных атомов водорода обнаружил существенное расхождение по сравнению с предыдущими результатами, которые стали называться «загадкой радиуса протона», – пишут авторы статьи в Nature. – Несмотря на экспериментальные и теоретические усилия, загадка остается нерешенной. Фактически существует несоответствие между двумя самыми последними спектроскопическими измерениями, проведенными на обычном водороде».

Тогда стали писать о том, что, возможно, мюоны взаимодействуют с протонами не так, как электроны, и это открывает окно в «новую физику», а сам факт несходимости результатов измерений и назвали «головоломкой протонного радиуса». Для наглядности – хотя о какой наглядности здесь можно говорить! – один фемтометр – это 10–15 метра.

При этом протон и электрон в атоме водорода гравитационно притягиваются с силой, которая составляет всего лишь 4 х 10–40 от силы их электростатического притяжения.

А пятому – не бывать!

Надо сказать, что подготовка к новому эксперименту по разгадыванию этой головоломки заняла у американских ученых семь лет.

В 2012 году группа ученых под руководством Ашота Гаспаряна из Университета штата Северная Каролина собралась в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, чтобы доработать метод рассеяния электронов. Эксперимент получил название PRad («Протонный радиус»). Специально была проведена модернизация ускорительного комплекса CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility – ускоритель непрерывных электронных пучков). Методика PRad предусматривала три нововведения.

Во-первых, был разработан новый тип мишени. Охлажденный газообразный водород направлялся прямо в поток ускоренных электронов с энергией 1,1 и 2,2 ГэВ, что позволило рассеянным электронам двигаться почти беспрепятственно в детекторы.

Во-вторых, для детектирования рассеянных электронов, возникающих в результате попадания электронов на протоны или электроны водорода, применили калориметр, а не традиционный магнитный спектрометр. Гибридный калориметр HyCal измерял энергию и положение рассеянных электронов, в то время как газовый электронный детектор GEM, специально построенный для этого эксперимента, определял позиции электронов, но с высокой точностью. Данные обоих детекторов сравнивались в реальном времени. Это дало возможность экспериментаторам понять, какое событие они обнаружили: электрон-электронное или электрон-протонное рассеяние. Понятно, что это значительно повысило точность эксперимента.

Были применены и еще некоторые, сугубо технологические, ухищрения, про которые можно сказать – искусство эксперимента.

В итоге полученный по новой методике радиус протона составляет 0,831 ± 0,007 фемтометра. Это самое точное значение на сегодняшний день. Оно меньше, чем предыдущее значение, полученное методом рассеяния электронов (0,88 фемтометра), и неплохо согласуется с результатами мюонной атомной спектроскопии (0,84 фемтометра).

«Мы рады, что годы напряженной работы нашего сотрудничества заканчиваются хорошим результатом, который поможет в решении так называемой головоломки протонного радиуса», – приводит слова Ашота Гаспаряна пресс-релиз Министерства энергетики США.

В самой статье авторы подчеркивают: «Кроме того, наш вывод согласуется с пересмотренным значением (объявленным в 2019 году. – «НГ-наука») для постоянной Ридберга – одной из наиболее точно оцененных фундаментальных констант в физике».

«Это было самое сложное измерение, которое когда-либо пыталась сделать наша лаборатория. Мы добились высочайшего уровня точности в измерении радиуса протона, – отметил ведущий автор исследования, сотрудник департамента физики и астрономии Йоркского университета Эрик Хессельс. – После восьми лет работы над этим экспериментом мы все же смогли провести такое высокоточное измерение, которое помогает решить головоломку протонного радиуса».

Поиск решения этой загадки имеет далеко идущие последствия для понимания законов физики, таких как теория квантовой электродинамики, которая описывает, как взаимодействуют свет и материя.

Опять же это важно хотя бы потому, что разброс в измерениях радиуса протона привел к появлению гипотезы о существовании некоей новой фундаментальной силы природы (отсюда и разговоры о «новой физике»), по-разному действующей на электроны и мюоны. Напомним, сегодня известны четыре фундаментальных взаимодействия в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. А пятому – не бывать! По крайней мере пока.

Тотальная визуализация

Но достижение американских физиков имеет не только сугубо естественно-научное значение – хотя, подчеркнем еще раз, даже сами по себе экспериментальная техника и методология просто удивительны, – но и мировоззренческое, философское значение.

«Человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить», – отмечал в свое время нобелевский лауреат Лев Ландау, рассуждая о квантовой механике. И все-таки перевести объекты в изображения – это неистребимая потребность физиков. Соответственно, изобразить нечто, непредставимое в образах принципиально, считалось невозможным. Вернее, эти изображения не могут нести никакого физического смысла и не соответствуют реальному физическому объекту. В общем, материя – это то, что поддается записи математическими формулами. И это – давняя философская традиция. Иммануил Кант, например, считал, что «…в любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней математики».

«…Начиная с середины 1980-х годов некоторые наиболее интересные и значимые изображения в науке оказываются совершенно неадекватными тем объектам, которые они пытаются репрезентировать… репрезентируют скорее породившую их математику, чем любые изображаемые объекты в пространстве, – пишет профессор Чикагского института искусств Джеймс Элкинс в эссе «Бесполезная визуализация квантовой механики» («Исследуя визуальный мир», Вильнюс, 2010). – В моем визуальном воображении нет ничего соответствующего бариону с его валентностью и морским кварком. Также я не имею ментального изображения электрона, даже оставляя в стороне дозволенные количества спиновых моментов импульсов».

И тем не менее магистральная линия в науке (не только в физике) – визуализация концептов, результатов, гипотез. Хрестоматийный пример «визуализации» непредставимого, но измеримого – ньютоновский закон всемирного тяготения. Ньютону удалось сделать главное – найти образ, который стал наглядным, а потому и запоминающимся, визуальным символом новой загадочной силы – гравитации. Этот образ и материализовался в падающем яблоке…

Вот и с электронами интересная получается картинка…

В 2011 году физики из Имперского колледжа Лондона сообщили, что им удалось определить форму электрона с точностью, которая на много порядков превосходит точность всех сделанных ранее измерений.

Электрон – элементарная частица, отвечающая за перенос электромагнитного взаимодействия. Существующие теории предполагают, что электрон должен иметь практически идеальную сферическую форму. Однако провести точные измерения этого параметра невероятно сложно. Как отмечалось в пресс-релизе Имперского колледжа Лондона, подготовка и проведение эксперимента заняли около 10 лет. С помощью лазерной системы ученые измеряли малейшие колебания, которые совершали находящиеся в молекулах фторида иттербия электроны. В итоге было установлено, что отклонения от идеальной сферической формы в электроне не превышают 10–28 см. Если увеличить размер электрона до размеров Солнечной системы, то размер отклонений окажется меньше толщины человеческого волоса.

В 2015 году международная команда исследователей из России, Дании, Бельгии и Канады под руководством Ганса Якоба Вернера из Высшей технической школы в Цюрихе смогла проследить движение электронов в молекуле с временным разрешением 100 аттосекунд и показала, что этими электронами можно управлять. (Приставка «атто» означает 10–18 с.)…

Итак, фотографию атома водорода мы уже давно имеем. Шарообразность электрона подтверждена с умопомрачительной точностью; само движение электрона отслежено с не менее обескураживающими подробностями. Возможно, нынешнее беспрецедентное измерение характерного размера протона станет тем рубежом в истории науки, пройдя который придется вообще отказаться от понятия «принципиально неизобразимый объект (явление)». Или по крайней мере значительно раздвинет пределы репрезентации физических концептов. Теперь это не только математические формулы, но и картинки. Недаром древние греки не различали понятий «видеть» и «знать».

Химические элементы, подготовка к ЕГЭ по химии

Химический элемент

Химический элемент — совокупность атомов с одним и тем же зарядом ядра, числом протонов в ядре и электронов в электронной оболочке. Закономерную связь химических элементов отражает периодическая таблица Д.И. Менделеева.

Изучая подобную карточку химического элемента, можно узнать о нем многое:

• Обозначение химического элемента
• Русское наименование
• Порядковый номер = заряд атома = число электронов = число протонов
• Атомная масса
• Распределение электронов по энергетическим уровням
• Электронная конфигурация внешнего уровня

Надо заметить, что на экзамене часто из карточки элемента скрывают распределение электронов и конфигурацию внешнего уровня. Тем не менее, если вы успешно освоили предыдущую тему, то для вас не составит труда написать электронную конфигурацию атома зная его порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева (номер уж точно не тронут!))

Протоны, нейтроны и электроны

Вы уже знаете, что порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов, а число протонов равно числу электронов.

Для того чтобы найти число нейтронов в атоме алюминия, необходимо вычесть из атомной массы число протонов:

27 — 13 = 14

Получается, что в атоме алюминия 14 нейтронов. Посчитайте число нейтронов, электронов и протонов самостоятельно для атомов бериллия, кислорода, меди. Решение вы найдете ниже.

Если вы поняли суть и научились считать протоны, нейтроны и электроны, самое время приступать к следующей теме.

Изотопы

Изотопы (греч. isos — одинаковый + topos — место) — общее название разновидностей одного и того же химического элемента, имеющих одинаковый заряд ядра (число протонов), но разное число нейтронов.

Вероятно, вы не задумывались, но вся таблица Д.И. Менделеева и представленные в ней химические элементы — это самые распространенные на земле изотопы.

Лучше всего объяснить, что такое изотопы наглядным примером. Широко известны три изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий.

В таблице Д.И. Менделеева представлен самый распространенный из трех — протий. Он содержит 1 протон и 1 электрон, нейтроны отсутствуют. У дейтерия 1 протон, 1 нейтрон и 1 электрон. У трития 1 протон, 2 нейтрона, 1 электрон.

Теперь очевидно, что изотопы — атомы одного и того же химического элемента, различающиеся числом нейтронов.

Рассмотрим пример с изотопами лития. Самостоятельно посчитайте количество нейтронов у каждого изотопа. Найдите тот, который включен в таблицу Д.И. Менделеева.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Что тяжелее протон или электрон. Протон, раздел «Физик

Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.

Электрон — это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.

Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны — это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон — это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.

В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.

Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).

Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Атом (греч. atomos — неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е — элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z — атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:

Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).

Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы — электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i — Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i — Е k где h — постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v — частота света.

Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Добрый вечер, просвещённые судари и сударыни!

Я познакомлю вас сегодня с элементарной частицей мироздания — с протоном и ради этого задам вам, дорогие мои читатели, самый простой вопрос,- что есть протон? Частица или волна, или то и другое?

При всей кажущейся простоте вопроса, ответить на его не так — то и легко. Поэтому прежде чем ответить на этот непростой вопрос, нам необходимо обратиться к справочным данным из интернета:

«Протон — стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.

В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906 — 1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона первые фотографии следов протона, одновременно подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах альфа-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента.

Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона.

Масса протона = (938,2796 ± 0,0027) МэВ или = 1,6;10 в минус 24 степени
грамм, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом — 1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия.

Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры = 10 * 10 в минус 13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.

Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так: сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия — протоны и электроны в атомах.»

Источник: http://www.b-i-o-n.ru/theory/stroenie-fisicheskogvaku..

Из интернетного определения протона следует, что протон является элементарной частицей, поскольку он обладает физической массой и зарядом и оставляет трековый след в камере Вильсона. Однако согластно современным представлениям учёных, он не является истинной элементарной частицей из- за того, что состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, связанных между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия…

Получается следующий логический вывод: с одной стороны- он частица, а с другой стороны- обладает волновыми качествами.

Обратим наше особое внимание, уважаемые читатели, что сам протон был открыт косвенным путём при облучении альфа частицами (ядра гелия с высокими энергиями) атомов азота, то есть он был открыт в движении.

Кроме этого, уважаемые мыслители, протон по современным представлениям учёных представляет собой «яблоко в тумане» с размытой границей, состоящее из рождающихся и уничтожающихся виртуальных частиц.

И вот наступает момент истины, который заключается в неожиданном вопросе,- А что же происходит с протоном в движении с очень большими скоростями порядка скорости света?

На этот вопрос отвечает учёный Игорь Иванов на своей учёной странице «Какую форму имеет быстролетящий протон»: http://elementy.ru/novosti_nauki/430940

Вот что он пишет: «Теоретические расчеты показывают, что протоны и ядра, движущиеся с околосветовой скоростью, имеют форму не плоского диска, а двояко-вогнутой линзы.

Микромир живет по законам, которые очень непохожи на законы окружающего нас мира. Многие наслышаны про волновые свойства вещества или про то, что вакуум в квантовой теории — вовсе не пустота, а бурлящий океан виртуальных частиц. Менее известно то, что само понятие «состава» сложных частиц является в микромире понятием относительным, зависящим от того, как вы на эту частицу посмотрели. А это, в свою очередь, влияет на «форму» составных частиц, например протона…

Протон — составная частица. Обычно говорят, что протоны состоят из кварков, скрепленных вместе глюонным полем, однако такое описание справедливо только для неподвижных или медленно движущихся протонов. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то намного корректнее его описывать в виде пронизывающих друг друга облаков кварков, антикварков и глюонов. Все вместе они называются «партоны» (от английского «part» — часть).

В квантовой теории количество партонов не фиксировано (это, в общем-то, относится ко всем частицам). Такой «закон несохранения» возникает из-за того, что каждый партон может расщепиться на два партона с энергией поменьше или, наоборот, два партона могут рекомбинировать — слиться в один. Оба этих процесса происходят постоянно, и в результате в быстролетящем протоне возникает некоторое динамически сбалансированное количество партонов. Причем это количество зависит от системы отсчета: чем больше энергия протона, тем больше в нём партонов.

В итоге получается несколько неожиданная картина, которая, на первый взгляд, даже противоречит теории относительности. Напомним, что в соответствии с теорией относительности продольный размер быстро движущихся тел сокращается. Например, шар (в своей системе покоя) выглядит сильно сплюснутым диском для быстро движущегося наблюдателя. Однако это «правило сплющивания» нельзя буквально переносить на протон, поскольку где в пространстве пролегает «граница протона» — зависит от системы отсчета.

С одной стороны, при переходе из одной системы отсчета в другую партонное облако действительно стремится сплющиться в согласии с теорией относительности. Но с другой стороны, при этом нарождаются новые партоны, которые как бы «восстанавливают» его продольный размер. В целом получается так, что протон — который является просто набором партонных облаков — вовсе не сплющивается с ростом энергии…»

Момент истины продолжается, мои дорогие мыслители! Он продолжается в неожиданных вопросах читателей автору Игорю Иванову, заданных при обсуждении его статьи » Какую форму имеет быстролетящий протон».
Я приведу вам не все из них, а только избранные ввиде вопросов и ответов:

Когда протон при высоких энергиях принимает форму «двояковыпуклой линзы», как это согласуется с неопределённостью Гезенберга?

Он именно из- за этого отношения принимает такую форму. Ближе к краю продольный импульс мягких глюонов меньше, так как продольная толщина больше.

Он вовсе не сжимается в гамма раз, а остаётся довольно «толстым.»
Толстая волновая функция протона- это как?

2. Ответ учёного Игоря Иванова:

Разве это не понятно из контекста?! «Толстый» в противоположность «тонкому», то есть имеющий (относительно) большой продольный размер!

Я не о том спрашиваю! Я спрашиваю,- к чему вы приписываете геометрию? К волновым функциям? Или рассматриваете в виде волнового пакета и как-то пытаетесь его описать? Что такое размер для протона? Может, по- вашему, это какие-то свойства его дифференциального сечения или что?

4. Ответ учёного Игоря Иванова:

Зачем столько вопросительных знаков? Да, размер относится к волновой функции партонов, то есть к фурье образу распределения партонов по продольному импульсу. Я привёл ссылки, вы можете подробнее прочитать их.

«Да, размер относится к волновым функциям партонов»,- может, всё таки протона, а не партонов?! Не знал, что волновая функция партонов- суть образ распределения партонов по продольному импульсу (здесь случаем нет тофтологии?!)

5. Ответ учёного Игоря Иванова:

Извините, но мне кажется,- вы уже троллите. Ссылеку я дал, теперь очередь за вами их изучить, если вас этот вапрос действительно интересует.

Вы правы- я тороллю, так как не совсем согласен с описанием протонов в виде «толстых» и «тонких.»…

Я приведу вам, мои любопытные читатели ещё один из диалогов нового человека firtree c учёным Игорем Ивановым:

1. Вопрос нового человека:

В первых строках «продольный размер быстро летящего протона» вы подменяете размер частицы длинной волны или размером волнового пакета частицы. Это примерно тоже самое, что сказать, что электрон- не точечный, а имеет размеры порядка радиуса Бора, находясь в атоме водорода. В том числе, если взять покоящийся протон, его «продольные размеры» будут больше его же радиуса.

1. Ответ учёного Игоря Иванова:

Нет, я эти две вещи не путаю. Я говорю, что размер протона эквивалентен типичным длинам волн, составляющих его партонов. Это то же самое, что сравнивать размер атома водорода и типичные длины волн электрона, а не длину атома целиком, которая может быть много больше своего размера.
К покоящемуся протону переходить нельзя, описание не годится.

2. Размышление нового человека:

Я говорю, что размер протона эквивалентен длинам волн составляющих его партонов. Это то же самое, что сравнивать размер атома водорода и типичные длины волн электрона, а не длину атома целиком, которая может быть много больше своего размера.
Вот это и настараживает. Если длина волны атома целиком велика, много больше размеров атома, то и длина волны электрона в составе атома также велика.
Для оценки размеров атома используется другой метод, который называется «переход в систему отсчёта центра масс». Разумеется, речь идёт о взятии оператора разности пары частиц, составляющих систему (Ядро- электрон).
Когда длина волны атома целиком велика, волны электрона и ядра, рассмотренные по отдельности, сильно коррелированы, так что такая разность (среднее значение) оказывается нисколько не похожей на длину волны электрона, рассмотренного самого по себе. Аналогично для партонов должна оцениваться разность координат.

3. А сейчас я приведу вам, мои дорогие читатели, заключительный вывод другого человека, подключившегося к беседе с учёным Игорем Ивановым:

Вопрос: Что же такое частица? Почему её нельзя описать полностью в «инвариантных терминах»,- например, таких как заряд, симметрия, сечение рассеивания?
Получается, что структура частицы это результат промежуточных вычислений и смущает не экспериментальная её ненаблюдаемость, а принципиальное отсутствие физического смысла, поскольку она, структура, не присуща самой частице и меняется при смене системы отсчёта наблюдателя.
Имеет ли смысл вообще говорить в таком случае, что протон состоит из чего- либо, это скорее всего — удобный вычислительный трюк…

Кроме этого, я поражаюсь тому, как возможно, что из инвариантных уравнений квантовой теории поля получаются неинвариантные сущности, вроде структуры частицы?!

Уважаемые судари и сударыни! Прочитав предубеждения современных учёных о строении протона и прослушав беседы с учёным Игорем Ивановым я пришел к следующим неизгладимым выводам:

1. Протон не состоит из из двух u-кварков и одного d-кварка, связанных между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия.

2. Состав протона придумали сами учёные ради своих собственных умозаключений и вычислительных трюков.

3. Мы не можем ответить на самый простой вопрос мироздания,-
Что же такое частица протон? И не можем проникнуть в его тайну, поскольку зациклились в дебрях неверной теории- Квантовой Теории Поля, которая не может объяснить самого главного:

4. Каким образом полу- частица протон становиться пакетом полу- волн?
И что происходит со временем в час перехода полу- частицы в пакет полу- волн?

5. Мы забыли о самом времени, о его искривлении в час перехода из трёхмерного мира в многомерный мир.

Он частица иль волна?

Видно глюки у меня
Появилися не зря
После слов глюон любави
У протона на крови?

Говорит учёный свет,-
Мол, протон — любви привет,
В нём три кварка и глюон,
Что скрепляет их поклон.

Он в покое не сидит,
А как яблоко дрожит
И туманом пьяных глаз
Водит за нос часто нас.

А когда примет на грудь
Стопочку свою чуть- чуть,
То летит потоком в свет
Передать друзьям портрет.

Он рисунок не простой,
Чертит новою мечтой,
С вогнутостью линз в очах,
С дерзким словом, в дерзких снах.

Он и здесь и там, и тут.
Его люди не поймут,
Потому что в их мозгах
Прозябает детский страх.

Только тот, кто сердцем чист,
Скинет в безну знанья лист,
Примет сердцем свой протон
И познает счастья тон…

Примечание: Красота обновлённого протона взята из обновлённых мозгов интернета.

Рис. 1: атом водорода. Не в масштабе.

Вы знаете, что Большой адронный коллайдер в основном занимается тем, что сталкивает друг с другом протоны. Но что такое протон?

В первую очередь – ужасная и полная неразбериха. Настолько же уродливая и хаотичная, насколько прост и элегантен атом водорода.

Но что тогда такое атом водорода?

Это простейший пример того, что физики называют «связанным состоянием». «Состояние», по сути, означает некую штуку, существующую довольно долгое время, а «связанное» означает, что её компоненты связаны друг с другом, будто супруги в браке. На самом деле, пример супружеской пары, в которой один супруг гораздо тяжелее другого, сюда очень хорошо подходит. Протон сидит в центре, едва двигаясь, а по краям объекта движется электрон, движется быстрее, чем вы и я, но гораздо медленнее скорости света, всеобщего скоростного ограничения. Мирный образ брачной идиллии.

Или он кажется таким, пока мы не заглянем в сам протон. Внутренности самого протона больше напоминают коммуну, где плотно расположено множество холостых взрослых и детей: чистый хаос. Это тоже связанное состояние, но связывает оно не нечто простое, вроде протона с электроном, как в водороде, или хотя бы несколько десятков электронов с атомным ядром, как в более сложных атомах типа золота – но несметное количество (то есть, их слишком много и они слишком быстро меняются, чтобы их можно было подсчитать практически) легковесных частиц под названием кварки, антикварки и глюоны. Невозможно просто описать структуру протона, нарисовать простые картинки – он чрезвычайно дезорганизован. Все кварки, глюоны, антикварки, мечутся внутри с максимально возможной скоростью, почти со скоростью света.

Рис. 2: Изображение протона. Представьте, что все кварки (верхний, нижний, странный — u,d,s), антикварки (u,d,s с чёрточкой), и глюоны (g) снуют туда-сюда почти со скоростью света, сталкиваются друг с другом, появляются и исчезают

Вы могли слышать, что протон состоит из трёх кварков. Но это ложь – во благо, но всё же довольно большая. На самом деле в протоне существует несметное количество глюонов, антикварков и кварков. Стандартное сокращение «протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка» просто говорит о том, что в протоне на два верхних кварка больше, чем верхних антикварков, и на один нижний кварк больше, чем нижних антикварков. Чтобы это сокращение стало верным, необходимо добавлять к нему «и ещё несметные количества глюонов и пар кварк-антикварк». Без этой фразы представление о протоне будет настолько упрощённым, что понять работу БАК будет совершенно невозможно.

Рис. 3: Маленькая ложь во благо на стереотипном изображении из Википедии

В общем, атомы по сравнению с протонами похожи на па-де-де в изысканном балете по сравнению с дискотекой, заполненной пьяными подростками, прыгающими и машущими диджею.

Именно поэтому, если вы – теоретик, пытающийся понять, что увидит БАК в столкновениях протонов, вам будет сложно. Очень сложно предсказывать результаты столкновений объектов, которые нельзя описать простым способом. Но, к счастью, с 1970-х годов, на основе идей Бьёркена из 60-х, физики-теоретики нашли относительно простую и рабочую технологию. Но она всё же работает до определённых пределов, с точностью порядка 10%. По этой и некоторым другим причинам надёжность наших подсчётов на БАК всегда ограничена.

Ещё одна деталь по поводу протона – он крохотный. Реально крохотный. Если раздуть атом водорода до размеров вашей спальни, протон будет размером с такую маленькую крупицу пыли, что её будет очень трудно заметить. Именно потому, что протон настолько мал, мы можем игнорировать творящийся внутри него хаос, описывая атом водорода как простой. Точнее, размер протона в 100000 раз меньше размера атома водорода.

Для сравнения, размер Солнца всего в 3000 раз меньше размера Солнечной системы (если считать по орбите Нептуна). Именно так – в атоме более пусто, чем в Солнечной системе! Вспоминайте об этом, когда смотрите на небо ночью.

Но вы можете спросить: «Секундочку! Вы утверждаете, что Большой адронный коллайдер как-то сталкивает протоны, имеющие в 100000 раз меньшие размеры, чем атом? Да как это вообще возможно?»

Отличный вопрос.

Столкновения протонов против мини-столкновений кварков, глюонов и антикварков

Столкновения протонов на БАК происходят с определённой энергией. Это было 7 ТэВ = 7000 ГэВ в 2011 году, и 8 ТэВ = 8000 ГэВ в 2012-м. Но специалистам по физике частиц в основном интересны столкновения кварка одного протона с антикварком другого протона, или столкновениях двух глюонов, и т.п. – то, что может привести к появлению по-настоящему нового физического явления. Эти мини-столкновения несут в себе малую долю общей энергии столкновения протонов. Насколько большую часть этой энергии они могут переносить, и зачем нужно было увеличивать энергию столкновений с 7 ТэВ до 8 ТэВ?

Ответ – на рис. 4. На графике показано количество столкновений, зафиксированных в детекторе ATLAS. В данных от лета 2011 года участвуют рассеяние кварков, антикварков и глюонов с других кварков, антикварков и глюонов. Такие мини-столкновения чаще всего производят два джета (струи адронов, проявления высокоэнергетических кварков, глюонов или антикварков, выбитых из родительских протонов). Измеряют энергии и направления джетов, и из этих данных определяют количество энергии, которое должно было участвовать в мини-столкновении. На графике показано количество мини-столкновений такого типа в виде функции энергии. Вертикальная ось логарифмическая – каждая чёрточка обозначает увеличение количества в 10 раз (10 n обозначает 1 и n нулей после него). К примеру, количество мини-столкновений наблюдаемых в промежутке энергий от 1550 до 1650 ГэВ равнялось порядка 10 3 = 1000 (отмечено голубыми линиями). Учтите, что график начинается с энергии в 750 ГэВ, но количество мини-столкновений продолжает расти, если вы изучаете джеты с меньшими энергиями, вплоть до момента, когда джеты становятся слишком слабыми, чтобы их засечь.

Рис. 4: количество столкновений как функция энергии (m jj)

Учтите, что общее количество столкновений протон-протон с энергией в 7 ТэВ = 7000 ГэВ приблизилось к 100 000 000 000 000. И из всех этих столкновений только два мини-столкновения превысили отметку 3500 ГэВ – половину энергии столкновения протонов. Теоретически энергия мини-столкновения может возрасти до 7000 ГэВ, но вероятность этого всё время падает. Мы настолько редко видим мини-столкновения с энергией 6000 ГэВ, что вряд ли увидим энергию в 7000 ГэВ, даже если соберём в 100 раз больше данных.

В чём же преимущества повышения энергии столкновения от 7 ТэВ в 2010-2011 годах до 8 ТэВ в 2012-м? Очевидно, что теперь то, что вы могли делать на уровне энергии E, теперь вы можете сделать на уровне энергии в 8/7 E ≈ 1.14 E. Так что, если прежде можно было надеяться увидеть в таком количестве данных признаки определённого типа гипотетической частицы с массой в 1000 ГэВ/с 2 , то теперь можно надеяться достичь как минимум 1100 ГэВ/с 2 с тем же набором данных. Возможности машины возрастают – можно искать частицы чуть большей массы. А если в 2012 году вы наберёте в три раза больше данных, чем в 2011-м, вы получите большее число столкновений для каждого уровня энергии, и сможете увидеть признаки гипотетической частицы массой, допустим, 1200 ГэВ/с 2 .

Но это ещё не всё. Посмотрите на голубую и зелёную линии на рис. 4: они показывают, что происходят на энергиях порядка 1400 и 1600 ГэВ – таких, что соотносятся друг с другом, как 7 к 8. На уровне энергии столкновения протонов в 7 ТэВ количество мини-столкновений кварков с кварками, кварков с глюонами и т.п. с энергией 1400 ГэВ более чем в два раза превышает количество столкновений с энергией в 1600 ГэВ. Но когда машина увеличивает энергию на 8/7, то, что выполнялось для 1400, начинает выполняться для 1600. Иначе говоря, если вас интересуют мини-столкновения фиксированной энергии, их количество растёт – и гораздо больше, чем 14% роста энергии столкновения протонов! Это значит, что для любого процесса с предпочтительной энергией, допустим, появления легковесных частиц Хиггса, которое происходит на энергиях порядка 100-200 ГэВ, вы получаете больше результата за те же деньги. Рост с 7 до 8 ТэВ означает, что для того же количества столкновений протонов вы получаете больше частиц Хиггса. Производство частиц Хиггса увеличится примерно на 1,5. Количество верхних кварков и определённых типов гипотетических частиц увеличится чуть сильнее.

Это означает, что хотя в 2012 году количество столкновений протонов увеличено в 3 раза по сравнению с 2011-м, общее количество полученных частиц Хиггса увеличится почти в 4 раза просто из-за увеличения энергии.

Кстати, рис. 4 также доказывает, что протоны не состоят просто из двух верхних кварков и одного нижнего, как изображают на рисунках типа рис. 3. Если бы они были такими, тогда кварки должны были бы переносить порядка трети энергии протонов, и большая часть мини-столкновений проходила бы с энергиями порядка трети от энергии столкновения протонов: в районе 2300 ГэВ. Но на графике видно, что в районе 2300 ГэВ ничего особенного не происходит. С энергиями меньше 2300 ГэВ происходит гораздо больше столкновений, и чем ниже вы спускаетесь, тем больше столкновений видите. Всё оттого, что в протоне содержится огромное количество глюонов, кварков и антикварков, каждый из которых переносит малую часть энергии протона, но их так много, что они участвуют в огромном количестве мини-столкновений. Это свойство протона и показано на рис. 2 – хотя на самом деле количество низкоэнергетических глюонов и пар кварк-антикварк гораздо больше, чем изображено на рисунке.

Но вот чего график не показывает, так это доли, которые при мини-столкновениях с определённой энергией приходятся на столкновения кварков с кварками, кварков с глюонами, глюонов с глюонами, кварков с антикварками, и т.д. На самом деле, напрямую из экспериментов на БАК этого и нельзя сказать – джеты от кварков, антикварков и глюонов выглядят одинаково. Откуда нам известны эти доли – это история сложная, в неё входят множество различных прошлых экспериментов и комбинирующая их теория. И отсюда нам известно, что мини-столкновения самых высоких энергий обычно происходят у кварков с кварками и у кварков с глюонами. Столкновения на низких энергиях обычно происходят между глюонами. Столкновения кварков и антикварков происходят относительно редко, но они очень важны для определённых физических процессов.

Распределение частиц внутри протона

Рис. 5

Два графика, отличающихся масштабом вертикальной оси, показывают относительную вероятность столкновения с глюоном, верхним или нижним кварком, или антикварком, переносящим долю энергии протона, равную x. При малых x доминируют глюоны (а кварки и антикварки становятся равновероятными и многочисленными, хотя их всё равно меньше, чем глюонов), а при средних x доминируют кварки (хотя их становится крайне мало).

Оба графика демонстрируют одно и то же, просто с разным масштабом, поэтому то, что сложно увидеть на одном из них, проще рассмотреть на другом. А показывают они вот что: если в Большом адронном коллайдере на вас летит протонный луч, и вы ударяете по чему-либо внутри протона, насколько вероятно то, что вы ударите верхний кварк, или нижний кварк, или глюон, или верхний антикварк, или нижний антикварк, переносящий долю энергии протона, равную x? Из этих графиков можно вынести, что:

Из того, что все кривые очень быстро растут при малых x (видно на нижнем графике), следует, что большая часть частиц в протоне переносит менее 10% (x Из того, что жёлтая кривая (снизу) гораздо выше остальных, следует, что если вы столкнулись с чем-то, переносящим менее 10% энергии протона, то это, скорее всего, глюон; а опустившись ниже 2% энергии протона это с равной вероятностью будут кварки или антикварки.
Из того, что кривая глюона (вверху) опускается ниже кривых кварков при увеличении х, следует, что если вы столкнулись с чем-либо, переносящим более 20% (x > 0,2) энергии протона – что бывает очень, очень редко – это, скорее всего, кварк, при этом вероятность того, что это верхний кварк, в два раза больше вероятности, что это нижний кварк. Это остатки идеи, что «протон – это два верхних кварка и один нижний».
Все кривые с увеличением х резко падают; очень маловероятно, что вы столкнётесь с чем-либо, переносящим более 50% энергии протона.

Эти наблюдения непрямым образом отражаются на графике с рис. 4. Вот ещё пара неочевидных вещей по поводу двух графиков:
Большая часть энергии протона делится (примерно одинаково) между небольшим количеством высокоэнергетических кварков и огромным количеством низкоэнергетических глюонов.
Среди частиц по количеству преобладают низкоэнергетические глюоны, а за ними уже идут кварки и антикварки очень низких энергий.

Количество кварков и антикварков огромно, но: общее количество верхних кварков за вычетом общего количество верхних антикварков равно двум, а общее количество нижних кварков за вычетом общего количества нижних антикварков, равно одному. Как мы видели выше, лишние кварки переносят ощутимую (но не основную) часть энергии протона, летящего на вас. И только в этом смысле можно сказать, что протон в основном состоит из двух верхних кварков и одного нижнего.

Кстати, вся эта информация была получена из захватывающей комбинации экспериментов (в основном по рассеянию электронов или нейтрино с протонов или с атомных ядер тяжёлого водорода – дейтерия, содержащего один протон и один нейтрон), собранных вместе при помощи подробных уравнений, описывающих электромагнитные, сильные ядерные и слабые ядерные взаимодействия. Эта долгая история тянется с конца 1960-х и начала 1970-х. И она прекрасно работает для предсказания явлений, наблюдаемых в коллайдерах, где сталкиваются протоны с протонами и протоны с антипротонами – таких, как Тэватрон и БАК.

Другие доказательства сложной структуры протона

Давайте посмотрим на кое-какие данные, полученные на БАК, и то, как они подтверждают утверждения о строении протона (хотя текущее понимание протона появилось уже 3-4 десятилетия назад, благодаря множеству экспериментов).

График на рис. 4 получен из наблюдений за столкновениями, в процессе которых происходит что-то вроде изображённого на рис. 6: кварк или антикварк или глюон одного протона сталкиваются с кварком или антикварком или глюоном другого протона, рассеиваются с него (или происходит что-то более сложное – к примеру, два глюона сталкиваются и превращаются в кварк и антикварк), в результате чего две частицы (кварки, антикварки или глюоны) разлетаются от точки столкновения. Две этих частицы превращаются в джеты (струи адронов). Энергия и направление джетов наблюдаются в детекторах частиц, окружающих точку столкновения. Эта информация используется, чтобы понять, сколько энергии содержалось в столкновении двух изначальных кварков/глюонов/антикварков. Точнее говоря, инвариантная масса двух джетов, помноженная на c 2 , даёт энергию столкновения двух изначальных кварков/глюонов/антикварков.

Рис. 6

Количество столкновений такого типа в зависимости от энергии дано на рис. 4. То, что на низких энергиях количество столкновений гораздо больше, подтверждает тот факт, что большая часть частиц внутри протона переносит только малую долю его энергии. Данные начинаются с энергий в 750 ГэВ.

Рис. 7: данные для более низких энергий, взятые из меньшего набора данных. Dijet mass – то же, что m jj на рис. 4.

Данные для рис. 7 взяты из эксперимента CMS от 2010 года, на котором они строили график столкновений плоть до энергий в 220 ГэВ. Здесь построен график не количества столкновений, а немного сложнее: количества столкновений на ГэВ, то есть количество столкновений поделено на ширину столбца гистограммы. Видно, что тот же самый эффект продолжает работать на всём диапазоне данных. Столкновений типа тех, что изображены на рис. 6, при низких энергиях происходит гораздо больше, чем при высоких. И это количество продолжает расти до тех пор, пока уже невозможно становится различать джеты. В протоне содержится очень много низкоэнергетических частиц, и мало какие из них переносят ощутимую долю его энергии.

Что насчёт наличия в протоне антикварков? Три из самых интересных процессов, не похожих на столкновение, изображённое на рис. 6, иногда происходящие на БАК (в одном из нескольких миллионов столкновений протон-протон) включают процесс:

Кварк + антикварк -> W + , W — или Z-частица.

Они показаны на рис. 8.

Рис. 8

Соответствующие данные с CMS даны на рис. 9 и 10. Рис. 9 показывает, что количество столкновений, в результате которых появляется электрон или позитрон (слева) и нечто необнаружимое (вероятно, нейтрино или антинейтрино), или же мюон и антимюон (справа), предсказано правильно. Предсказание делается комбинированием Стандартной Модели (уравнений, предсказывающих поведение известных элементарных частиц) и структуры протона. Большие пики данных возникают из-за появления частиц W и Z. Теория прекрасно совпадает с данными.

Рис. 9: чёрные точки – данные, жёлтое – предсказания. Количество событий указано в тысячах. Слева: центральный пик появляется из-за нейтрино в частицах W. Справа комбинируются лептон и антилептон, появляющиеся в столкновении, и подразумевается масса частицы, из которой они появились. Пик появляется из-за получающихся частиц Z.

Ещё больше деталей можно видеть на рис. 10, где показано, что теория по количеству не только указанных, но и многих связанных с ними измерений – большинство из которых связаны со столкновениями кварков с антикварками – прекрасно совпадает с данными. Данные (красные точки) и теория (синие отрезки) никогда не совпадают точно из-за статистических флуктуаций, по той же причине, по которой вы, десять раз подбросив монету, не получите обязательно пять «орлов» и пять «решек». Поэтому точки-данные размещаются в пределах «полосы ошибки», вертикальной красной полоски. Размер полосы такой, что для 30% измерений полоса ошибки должна граничить с теорией, и всего для 5% измерений она должна отстоять от теории на две полосы. Видно, что все свидетельства подтверждают, что в протоне содержится множество антикварков. И мы правильно понимаем количество антикварков, переносящих определённую долю энергии протона.

Рис. 10

Дальше всё немного сложнее. Мы знаем даже, сколько у нас есть верхних и нижних кварков в зависимости от переносимой ими энергии, поскольку правильно предсказываем – с погрешностью менее 10% — насколько частиц W + получается больше, чем частиц W — (рис. 11).

Рис. 11

Соотношение верхних антикварков к нижним должно быть близко к 1, но верхних кварков должно быть больше, чем нижних, особенно при высоких энергиях. На рис. 6 можно видеть, что соотношение получающихся частиц W + и W — должно приблизительно давать нам соотношение верхних кварков и нижних кварков, участвующих в производстве частиц W. Но на рис. 11 видно, что измеренное отношение частиц W + к W — равно 3 к 2, а не 2 к 1. Это тоже показывает, что наивное представление о протоне, как о состоящем из двух верхних кварков и одного нижнего кварка слишком упрощено. Упрощённое соотношение 2 к 1 размывается, поскольку в протоне содержится множество пар кварк-антикварк, из которых верхних и нижних получается примерно поровну. Степень размытия определяется массой частицы W в 80 ГэВ. Если сделать её легче, размытия будет больше, а если тяжелее – меньше, поскольку большая часть пар кварк-антикварк в протоне переносит мало энергии.

Наконец, давайте подтвердим тот факт, что большая часть частиц в протоне – это глюоны.

Рис. 12

Для этого мы будем использовать тот факт, что верхние кварки можно создать двумя способами: кварк + антикварк -> верхний кварк + верхний антикварк, либо глюон + глюон -> верхний кварк + верхний антикварк (рис. 12). Мы знаем количество кварков и антикварков в зависимости от переносимой ими энергии на основе измерений, проиллюстрированных на рис. 9-11. Исходя из этого, можно использовать уравнения Стандартной Модели для предсказания того, сколько верхних кварков получится из столкновений только кварков и антикварков. Также мы считаем, на основании предыдущих данных, что в протоне глюонов больше, поэтому процесс глюон + глюон -> верхний кварк + верхний антикварк должен протекать не менее, чем в 5 раз чаще. Легко проверить, есть ли там глюоны; если их нет, данные должны лежать гораздо ниже теоретических предсказаний.
глюоны Добавить метки

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).

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.

Текста, в итоге, всё равно много и я не знаю, стоит ли уменьшать объём текста.

Причём, текст этот намного более научный. Тот, кто сумел осилить первую часть про элементарные частицы и не потерял интерес к физике, я надеюсь, сумеет осилить и этот текст.

Я разделю текст на множество частей, так его будет проще читать.

Ответить

Ещё 16 комментариев

Итак, про заряд.

В ходе внимательного изучения разных вариантов взаимодействия между разными предметами (включая и элементарные частицы) выяснилось, что всего существует 3 типа взаимодействия. Их назвали: 1) гравитационное, 2) электромагнитное и 3) ядерное.

Давайте для начала поговорим немного о гравитации. Люди много лет наблюдали в телескоп за движением планет и комет в Солнечной системе. Из этих наблюдений Ньютон (легендарный физик прошлых веков) сделал вывод, что все объекты в Солнечной системе притягивают друг-друга на расстоянии, и вывел знаменитый «закон всемирного тяготения».

Этот закон можно записать в таком виде: «Для любых 2 объектов можно посчитать силу их взаимного притяжения. Для этого нужно массу одного объекта умножить на массу другого объекта, затем получившийся результат нужно два раза поделить на расстояние между ними».

Можно записать этот закон в виде уравнения:

масса1 * масса2: расстояние: расстояние = сила

В этом уравнении значок * (значок звёздочки) обозначает умножение, значок: обозначает деление, «масса1» — это масса одного тела, «масса2» — масса второго тела, «расстояние» — это расстояние между этими двумя телами, «сила» — это сила, с которой они будут притягиваться друг к другу.

(Я предполагаю, что пятиклассники не знают, что такое «возведение в квадрат», поэтому я заменил квадрат расстояния на то, что будет понятно пятикласснику.)

Что интересного видно в этом уравнении? Например, то, что сила притяжения сильно зависит от расстояния между объектами. Чем больше расстояние — тем слабее сила. В этом легко убедиться. Например, посмотрим на такой пример: масса1 = 10, масса2 = 10, расстояние = 5. Тогда сила будет равна 10 * 10: 5: 5 = 100: 5: 5 = 20: 5 = 4. Если же при тех же массах расстояние = 10, то сила будет равна 10 * 10: 10: 10 = 1. Мы видим, что когда расстояние увеличилось (с 5 до 10), сила притяжения уменьшилась (с 4 до 1).

Ответить

Что такое «масса»?

Мы знаем, что всё в мире состоит из элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов). И эти элементарные частицы являются носителями массы. Электрон, правда, имеет совсем маленькую массу по сравнению с протоном и нейтроном, но масса у электрона всё равно есть. А вот у протона и нейтрона масса вполне заметная. Почему Земля имеет большую массу (600000000000000000000 килограмм), а я — маленькую (65 килограмм)? Ответ очень прост. Потому что Земля состоит из очень-очень большого количества протонов и нейтронов. Кстати, поэтому и незаметно, что я что-то к себе притягиваю — слишком маленькая масса. Но вообще-то я притягиваю. Только очень-очень-очень слабо.

Итак, люди обнаружили, что масса существует даже у элементарных частиц. И масса позволяет частицам притягивать друг-друга на расстоянии. Но что такое масса? Как она работает? Как нередко (и даже очень часто) бывает в науке, эта загадка до конца не разгадана. Пока что мы знаем только то, что масса находится «внутри частиц». И знаем, что масса остаётся неизменной до тех пор, пока сама частица остаётся неизменной. То есть, у всех протонов одинаковая масса. У всех нейтронов — одинаковая. И у всех электронов — одинаковая. При этом у протона и электрона они очень похожи (хотя и не точно-точно равны), а у электрона масса намного меньше. И не бывает такого, чтобы, например, нейтрон имел массу как у электрона или наоборот.

Ответить

Об электромагнитном взаимодействии.

И о зарядах. Наконец-то.

Внимательные наблюдения показали, что одного только закона всемирного тяготения недостаточно для объяснения некоторых взаимодействий. Должно быть что-то ещё. Вот взять даже обычный магнит (точнее 2 магнита). Во-первых, нетрудно заметить, что небольшой магнит массой, допустим, в 1 килограмм, притягивает другой магнит гораздо-гораздо сильнее, чем я. Если верить закону всемирного тяготения, то мои 65 килограмм должны притягивать магнит в 65 раз сильнее — но нет. Магнит совсем не хочет ко мне притягиваться. А вот к другому магниту — хочет. Как это объяснить?

Другой вопрос. Почему магнит притягивает к себе только некоторые предметы (например, железки, а также другие магниты), а остальные — не замечает?

И ещё. Почему магнит притягивает другой магнит только с определённой стороны? И, самое удивительное, что если подставить магнит противоположной стороной, то окажется, что 2 магнита вовсе не притягиваются, а наоборот — отталкиваются. При этом легко заметить, что они отталкиваются с той же силой, с какой они до этого притягивались.

Закон всемирного тяготения говорит только о притягивании, но ничего не знает об отталкивании. Значит, должно быть что-то ещё. Что-то, что в одних случаях предметы притягивает, а в других — отталкивает.

Вот эту силу назвали «электромагнитным взаимодействием». Для электромагнитного взаимодействия тоже есть свой закон (называется «закон Кулона», в честь Шарля Кулона, который открыл этот закон). Очень интересно то, что общий вид этого закона почти точно такой же, как и у закона всемирного тяготения, только вместо «масса1» и «масса2» там «заряд1» и «заряд2».

заряд1 * заряд2: расстояние: расстояние = сила

«заряд1» — это заряд первого объекта, «заряд2» — заряд второго объекта.

А что такое «заряд»? Говоря по правде, никто этого не знает. Также как никто точно не знает, что такое «масса».

Ответить

Загадочные заряды.

Пытаясь разобраться, люди дошли до элементарных частиц. И обнаружили, что у нейтрона есть только масса. То есть, нейтрон участвует в гравитационном взаимодействии. А в электромагнитном взаимодействии он не участвует. То есть, заряд нейтрона равен нулю. Если взять закон Кулона и подставить ноль вместо одного из зарядов, то сила будет тоже равна нулю (нет силы). Так и ведёт себя нейтрон. Нет электромагнитной силы.

У электрона масса очень слабая, поэтому в гравитационном взаимодействии он участвует очень мало. Зато электрон сильно отталкивает (отталкивает!) другие электроны. Это потому что у него есть заряд.

У протона есть и масса и заряд. И протон тоже отталкивает другие протоны. Если есть масса — значит, он притягивает к себе все частицы. Но одновременно с этим протон отталкивает другие протоны. Причём электромагнитная сила отталкивания гораздо сильнее, чем гравитационная сила притяжения. Поэтому отдельные протоны будут улетать друг от друга прочь.

Но это ещё не вся история. Электромагнитная сила может не только отталкивать, но и притягивать. Протон притягивает электрон, а электрон притягивает протон. При этом можно провести эксперимент и обнаружить, что сила притягивания между протоном и электроном равна силе отталкивания между двумя протонами и также равна силе отталкивания между двумя электронами.

Из этого мы можем сделать вывод, что заряд протона равен заряду электрона. Но по какой-то причине 2 протона друг-друга отталкивают, а протон и электрон — притягиваются. Как это может быть?

Ответить

Разгадка зарядов.

Разгадка, оказывается, в том, что масса-то у всех частиц всегда больше нуля. А вот заряд может быть и больше нуля (протон) и равен нулю (нейтрон) и меньше нуля (электрон). Хотя, по правде говоря, можно было бы назначить так, что, наоборот, у электрона заряд больше нуля, а у протона — меньше нуля. Это было неважно. Важно то, что у протона и у электрона заряды противоположны.

Давайте для примера измерять заряды в «протонах» (то есть, 1 протон имеет силу заряда, равную 1). И определим силу, взаимодействия между двумя протонами на каком-нибудь расстоянии (будем считать, что расстояние = 1). Подставляем числа в формулу и получаем 1 * 1: 1: 1 = 1. Теперь давайте измерим силу взаимодействия между электроном и протоном. Мы знаем, что заряд электрона равен заряду протона, но имеет противоположный знак. Раз у нас заряд протона равен 1, то заряд электрона должен быть равен -1. Подставляем. -1 * 1: 1: 1 = -1. Мы получили -1. Что означает знак «минус»? Он означает, что силу взаимодействия нужно изменить в противоположную сторону. То есть, сила отталкивания стала силой притягивания!

Ответить

Подводим итоги.

Между 3 наиболее распространёнными элементарными частицами существуют заметные различия.

Нейтрон имеет только массу, а заряда не имеет.

Протон имеет и массу и заряд. При этом заряд протона считается положительным.

Электрон имеет маленькую массу (примерно в 1000 раз меньше, чем у протона и нейтрона). Но имеет заряд. При этом заряд равен заряду протона, только с противоположным знаком (если считать, что у протона «плюс», значит у электрона — «минус»).

При этом обычный атом ничего не притягивает и не отталкивает. Почему? Это уже просто. Представим какой-нибудь обычный атом (например, атом кислорода) и один свободный электрон, который летает рядом с атомом. Атом кислорода состоит из 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. Вопрос. Должен ли этот свободный электрон притягиваться к атому или же он должен отталкиваться? У нейтронов заряда нет, поэтому их мы пока проигнорируем. Электромагнитная сила между 8 протонами и 1 электроном равна 8 * (-1) : 1: 1 = -8. А электромагнитная сила между 8 электронами в атоме и 1 свободным электронам равна -8 * (-1) : 1: 1 = 8.

Получается, что сила действия 8 протонов на свободный электрон равна -8, а сила действия электронов равна +8. В сумме это получается 0. То есть, силы равны. Ничего не происходит. В итоге говорят, что атом «электрически нейтрален». То есть, он не притягивает и не отталкивает.

Конечно, остаётся ещё сила гравитации. Но у электрона масса очень мала, поэтому гравитационное взаимодействие с атомом очень мало.

Ответить

Заряженные атомы.

Мы помним, что приложив немного усилий, мы можем оторвать более далёкие от ядра электроны. В этом случае у атома кислорода будет, например, 8 протонов, 8 нейтронов и 6 электронов (2 мы оторвали). Атомы, в которых недостаёт (или, наоборот, слишком много) электронов, называются «ионы». Если мы сделаем 2 таких атома кислорода (убрав по 2 электрона из каждого атома), они будут друг-друга отталкивать. Подставим в закон Кулона: (8 — 6) * (8 — 6) : 1: 1 = 4. Мы видим, что получившееся число больше нуля, значит ионы будут отталкиваться.

Электроны двигаются вокруг ядра по круговым орбитам, подобно Земле, вращающейся вокруг Солнца. Электроны могут переходить между этими уровнями, и когда они это делают, они либо поглощают фотон, либо испускают фотон. Каков размер протона и что это такое?

Главный строительный элемент видимой Вселенной

Протон является основным строительным блоком видимой Вселенной, но многие его свойства, такие как радиус заряда и его аномальный магнитный момент, не совсем понятны. Что такое протон? Это субатомная частица с положительным электрическим зарядом. До недавнего времени протон считался наименьшей частицей. Однако благодаря новым технологиям стал известен тот факт, что протоны включают в себя еще более маленькие элементы, частицы, называемые кварками, истинными фундаментальными частицами материи. Протон может образовываться в результате неустойчивого нейтрона.

Заряд

Каким электрическим зарядом обладает протон? Он имеет заряд +1 элементарного заряда, который обозначается буквой «e» и был открыт в 1874 году Джорджем Стоуни. В то время как протон имеет положительный заряд (или 1e), электрон имеет отрицательный заряд (-1 или -e), а нейтрон вовсе не имеет заряда и может обозначаться 0e. 1 элементарный заряд равен 1,602 × 10 -19 кулонов. Кулон представляет собой тип единицы электрического заряда и является эквивалентом одному амперу, который неуклонно транспортируется в расчете на одну секунду.

Что такое протон?

Все, чего вы можете коснуться и чувствовать, состоит из атомов. Размер этих крошечных частиц внутри центра атома очень маленький. Хотя они составляют большую часть веса атома, но они все же очень малы. Фактически, если бы атом был размером с футбольное поле, каждый из его протонов был бы только размером с муравья. Протоны не должны ограничиваться ядрами атомов. Когда протоны находятся за пределами атомных ядер, они приобретают увлекательные, причудливые и потенциально опасные свойства, аналогичные свойствам нейтронов в подобных обстоятельствах.

Но протоны обладают дополнительным свойством. Поскольку они несут электрический заряд, их можно ускорить электрическими или магнитными полями. Высокоскоростные протоны и атомные ядра, содержащие их, выделяются в больших количествах во время солнечных вспышек. Частицы ускоряются магнитным полем Земли, вызывая ионосферные возмущения, известные как геомагнитные бури.

Число протонов, размер и масса

Количество протонов делает каждый атом уникальным. Например, у кислорода их восемь, у водорода всего один, а у золота — целых 79. Это число похоже на тождество элемента. Вы можете многое узнать об атоме, просто зная число его протонов. Эта найденная в ядре каждого атома, имеет положительный электрический заряд, равный и противоположный электрону элемента. Если бы он был изолирован, то имел бы массу всего около 1,673 -27 кг, чуть меньше массы нейтрона.

Число протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свое уникальное тождество. В атомах какого-либо конкретного элемента число протонов в ядрах всегда одно и то же. Атом простого водорода имеет ядро, которое состоит всего из 1 протона. Ядра всех других элементов почти всегда содержат нейтроны в дополнение к протонам.

Насколько велик протон?

Никто этого точно не знает, и это проблема. В экспериментах использовались модифицированные атомы водорода, чтобы получить размер протона. Это субатомная тайна с большими последствиями. Спустя шесть лет после того, как физики объявили о слишком малом измерении размера протона, ученые все еще не уверены касательно истинного размера. С появлением новых данных тайна становится все более глубокой.

Протоны — частицы, находящиеся внутри ядра атомов. В течение многих лет радиус протона казался закрепленным на отметке примерно в 0,877 фемтометров. Но в 2010 году Рэндольф Пол из из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, получил тревожный ответ, используя новую методику измерения.

Команда изменила один протон, один электронный состав атома водорода, переключив электрон на более тяжелую частицу, называемую мюоном. Затем они заменили этот измененный атом лазером. Измерение полученного изменения их энергетических уровней позволило им рассчитать размер его протонного ядра. К их удивлению, он вышел на 4 % меньше, чем традиционное значение, измеряемое другими средствами. В эксперименте Рэндольфа также применили новую методику к дейтерию — изотопу водорода, имеющему один протон и один нейтрон, все вместе известный как дейтрон, — в его ядре. Однако точное вычисление размера дейтрона занимало много времени.

Новые эксперименты

Новые данные показывают, что проблема радиуса протонов не исчезает. Еще несколько экспериментов в лаборатории Рэндольфа Пола и других уже ведутся. Кто-то прибегает к той же технике мюона для измерения размера более тяжелых атомных ядер, таких как гелий. Другие одновременно измеряют рассеяние мюонов и электронов. Пол подозревает, что виновником может быть не сам протон, а неправильное измерение константы Ридберга, число, которое описывает длины волн света, испускаемого возбужденным атомом. Но эта константа хорошо известна благодаря другим прецизионным экспериментам.

В другом объяснении предлагаются новые частицы, которые вызывают неожиданные взаимодействия между протоном и мюоном, не меняя его связи с электроном. Это может означать, что головоломка выводит нас за рамки стандартной модели физики частиц. «Если в какой-то момент в будущем кто-то обнаружит что-то помимо стандартной модели, это будет так», — говорит Пол, с первым небольшим расхождением, затем с другим и другим, медленно создавая более монументальный сдвиг. Какой истинный размер протона? Новые результаты бросают вызов базовой теории физики.

Рассчитав влияние радиуса протона на траектории пролета, исследователи смогли оценить радиус частицы протона, который составил 0,84184 фемтометра. Ранее этот показатель был на отметке от 0,8768 до 0,897 фемтометра. При рассмотрении таких крошечных количеств всегда существует вероятность ошибки. Однако после 12 лет кропотливых усилий члены команды уверены в точности своих измерений. Теория может нуждаться в некоторой доработке, но каким бы ни был ответ, физики еще долго будут почесывать головы, решая эту сложную задачу.

Из чего состоят электроны нейтроны и протоны

Атом – основная единица элементов. Состав атома и его строение определяет различные свойства элементов. Например, состав атома кристалла кремния будет отличаться от структуры, что представляет, например, вещество уран.
Слово “атом” происходит от греческих корней “а”(без) и “том” (вырезать) что означает «неделимый». Вплоть до 20-го века атомы считались минимально возможными частицами.

Структура атома

Ядро является центральным, очень плотным компонентом атома. Оно состоит из протонов и нейтронов (совместно называемых нуклонами) и отвечает за большую часть атомной массы. Протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре так называемым сильным ядерным взаимодействием (которое является самой сильной известной силой во Вселенной). Вокруг ядра находится облако гораздо меньших и более легких электронов, которые притягиваются к ядру электромагнитной силой от взаимодействия с протонами. Различные количества протонов, нейтронов и электронов приводят к тому, что атом обладает различными химическими свойствами, которые определяют, что это за элемент.

Атомы невообразимо малы, а их ядра в 1000 раз меньше. На самом деле один кубический сантиметр кремния, содержит приблизительно 5 х 10 22 атома (это 5 с 22 нулями после него!). Это масштабы Вселенной, чтобы увидеть визуальное представление о том, насколько они малы.

Протоны

Протоны – это положительно заряженные частицы, которые находятся внутри ядра атома.
Элемент можно распознать по числу протонов в ядре одного из своих атомов. Кроме того, число протонов определяет место элемента в периодической таблице элементов. Например, состав атома углерода имеет ровно 6 протонов в своем ядре и, таким образом, номер 6 в периодической таблице элементов, торий имеет ровно 90 протонов и, таким образом, номер 90 в периодической таблице элементов.
Протоны отталкиваются друг от друга электромагнитной силой, но стягиваются вместе сильной силой, которая сильнее на коротких расстояниях (эти расстояния составляют около ферми или 10-15 м). Протоны очень маленькие, около 10-15 м в 10 000 раз меньше атома! Несмотря на свои невероятно малые размеры, протоны толкают друг друга с огромной силой, около 100 Н, сравнимой с весом маленькой собаки!
Заряд протона в точности равен и противоположен заряду электрона. Поэтому число электронов в нейтральном атоме всегда равно числу протонов. Протоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками, которые также составляют нейтроны.
Число протонов в ядре называется атомным номером, и это число определяет, каким элементом является вещество. Другими словами, изменение числа протонов, изменяет элемент. Это число протонов (атомный номер) изменяется, когда ядро подвергается бета-распаду или альфа-распаду в любой из его различных форм.
Сложность намеренного изменения количества протонов в ядре велика. Вот почему алхимия (средневековая практика превращения свинца в золото) так долго терпит неудачу!

Нейтроны

Нейтроны имеют ту же массу, что и протоны, что делает их легко определяемыми, сколько находятся в составе ядра атома.
Простое вычитание числа протонов из атомной массы атома даст число нейтронов. Например, цезий является номером 55 в периодической таблице элементов и, следовательно, имеет 55 протонов; кроме того, его атомная масса (обычно также найденная в периодической таблице), как известно, составляет 133 (единицы атомной массы). Вычитание 55 из 133 дает 78, то есть число нейтронов в атоме. Один и тот же тип атома (определяемый количеством протонов) может иметь разное количество нейтронов. Они называются различными изотопами атома. Например, углерод-12 является одним изотопом углерода, а углерод-14 – другим изотопом углерода.

Имеется общее название составляющих атомного ядра. Нуклон – частица из протона и нейтрона, которые образуют ядро. Нуклиды – совокупность атомов с определенным значением нейтронов и протонов: одинаковое число протонов, но разным числом нейтронов. Нуклоны и нуклиды разные понятия.

Электроны

Электроны – это отрицательно заряженные частицы, которые существуют в облаке вокруг ядра атома. Они невообразимо малы, настолько малы, что квантовая механика необходима для объяснения их специфического поведения, и насколько физика смогла определить, они являются фундаментальной частицей. Лучше всего представить электроны как крошечные частицы, которые” вращаются ” вокруг ядра. Их радиус настолько мал, что никто не смог его обнаружить, но он невероятно круглый. Если бы электрон был увеличен до размера Солнечной системы, он все равно выглядел бы сферическим в пределах толщины человеческого волоса.

• Масса 9.11×10 -31 кг
• Радиус менее 10 -18 м
• Отклонение от сферы менее 10 -26 м

Состав атома определяет одинаковое количество протонов и электронов, однако он может потерять или приобрести электрон(ы) становится «несбалансированным». Неуравновешенный атом называется ионом; если он получает электрон (таким образом, имея их больше, чем протонов), он становится отрицательно заряженным ионом или анионом. Если происходит обратное, и атом теряет электрон, он становится положительно заряженный ион или катион. Ионы могут соединяться с другими ионами, создавая большое разнообразие различных смесей.
Один из способов, при котором состав атомов получает или теряет электроны, – это излучение высокой энергии. Это излучение вызывает образование ионов и в результате называется ионизирующим излучением.

Электроны и электричество

Электричество – это поток электронов через проводник, обычно в виде проволоки, этот поток называется электрическим током.

Чтобы этот поток произошел, электроны должны разорвать свою атомную связь (электричество – это поток электронов, а не их поток с ядрами, с которыми они связаны). Разрыв атомной связи между электроном и его ядром требует ввода энергии, которая заставляет электрон преодолевать электромагнитную силу, сдерживающую его, и таким образом свободно течь.

Проводящий материал

Все формы материи содержат электроны, однако в некоторых материалах они более свободно связаны с их ядрами. Эти материалы (известные как проводники или металлы) требуют очень мало энергии для создания электрического тока, потому что слабо связанные электроны требуют гораздо меньше энергии для преодоления электромагнитной силы, удерживающей их на месте.

Что генерирует поток электронов?

Поток электронов можно генерировать различными способами, но основные из них следующие:

• Электрические генераторы – это устройства, использующие принцип электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция это процесс перемещения проводника через магнитное поле с целью создания электронного потока. Требуется только относительное движение проводника и магнитного поля, что означает, что магнитное поле может двигаться, пока проводник неподвижен. Когда электроны в проводнике проходят через магнитное поле (если поле достаточно сильное, а относительная скорость проводников через поле достаточно быстрая), то связи с их ядрами будут разорваны и будет индуцирован поток. Для того чтобы вызвать высокий уровень электронного потока, необходимо большое количество энергии для создания относительной скорости между проводником и магнитами.
• Химические реакции внутри батарей также создают электродвижущую силу, заставляющую электроны течь по цепи.
• Фотоны (энергия света) также могут вызывать поток электронов, когда они сталкиваются с фотоэлектрической ячейкой расположенной в солнечной панели.

Таким образом, структура или состав атома определяет принадлежность к тому или иному химическому элементу.

Многим со школы хорошо известно, что все вещества состоял из атомы. Атомы в свою очередь состоят из протонов и нейтронов образующих ядро атомы и электронов, расположенных на некотором расстоянии от ядра. Многие также слышали, что свет тоже состоит из частиц – фотонов. Однако на этом мир частиц не ограничивается. На сегодняшний день известно более 400 различных элементарных частиц. Попробуем понять, чем элементарные частицы отличаются друг от друга.

Существует множество параметров, по которым можно отличить элементарные частицы друг от друга:

• Масса.
• Электрический заряд.
• Время жизни. Почти все элементарные частицы имеют конечное время жизни по истечении которого они распадаются.
• Спин. Его можно, весьма приближенно считать как вращательный момент.

Еще несколько параметров, или как их принято называть в науке квантовых чисел. Эти параметры не всегда имеют понятный физический смысл, но они нужны для того, чтобы отличать одни частицы от других. Все эти дополнительные параметры введены как некоторые величины, сохраняющиеся во взаимодействии.

Массой обладают почти все частицы, кроме фотоны и нейтрино (по последним данным нейтрино обладают массой, но столь малой, что часто ее считают нулем). Без массовые частицы могут существуют только в движении. Масса у всех частиц различна. Минимальной массой, не считая нейтрино, обладает электрон. Частицы, которые называются мезонами обладают массой в 300-400 раз большей массы электрона, протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее электрона. Сейчас уже открыты частицы, которые почти в 100 раз тяжелее протона. Масса,( или ее энергетический эквивалент по формуле Эйнштейна:

сохраняется во всех взаимодействиях элементарных частиц.

Электрическим зарядом обладают не все частицы, а значит что не все частицы способны участвовать в электромагнитном взаимодействии. У всех свободно существующих частиц электрический заряд кратен заряду электрона. Кроме свободно существующих частиц существуют также частицы, находящие только в связанном состоянии, о них мы скажем чуть позже.

Спин, как и другие квантовые числа у различных частиц различны и характеризуют их уникальность. Некоторые квантовые числа сохраняются в одних взаимодействиях, некоторые в других. Все эти квантовые числа определяют то, какие частицы взаимодействуют с какими и как.

Время жизни также очень важная характеристика частицы и ее мы рассмотрим наиболее подробно. Начнем с замечания. Как мы уже сказали в начале статьи – все что нас окружает состоит из атомов (электронов, протонов и нейтронов) и света (фотонов). А где же тогда еще сотни различных видов элементарных частиц. Ответ прост – всюду вокруг нас, но мы из не замечаем по двум причинам.

Первая из них – почти все остальные частицы живут очень мало, примерно 10 в минус 10 степени секунд и меньше, и потому не образовывают таких структур как атомы, кристаллические решетки и т.п. Вторая причина касается нейтрино, эти частицы хоть и не распадаются, но они подвержены только слабому и гравитационному взаимодействию. Это значит, что эти частицы взаимодействуют на столько незначительно, что обнаружить из почти невозможно.

Представим наглядно в чем выражается то, на сколько частица хорошо взаимодействуем. Например поток электронов можно остановить довольно тонким листом стали, порядка нескольких миллиметров. Это произойдет потому, что электроны сразу начнут взаимодействовать с частицами листа стали, будут резко менять свой направления, излучать фотоны, и таким образом довольно быстро потеряют энергию. С потоком нейтрино все не так, они почти без взаимодействий могут пройти насквозь Земного Шара. И потому обнаружить их очень тяжело.

Итак, большинство частиц живут очень короткое время, по истечении которого она распадаются. Распады частиц- наиболее часто встречающиеся реакции. В результате распада одна частица распадается на несколько других меньшей массы, а те в свою очередь распадаются дальше. Все распады подчиняются определенным правилам – законам сохранения. Так, например, в результате распада должен сохраняться электрический заряд, масса, спин и еще ряд квантовых чисел. Некоторые квантовые числа в ходе распада могут меняться, но тоже подчиняясь определенным правилам. Именно правила распада говорят нам о том, что электрон и протон это стабильные частицы. Они уже не могут распадаются подчиняясь правилам распада, и потому именно ими заканчиваются цепочки распада.

Здесь хочется сказать несколько слов о нейтроне. Свободный нейтрон тоже распадается, на протон и электрон примерно за 15 минут. Однако когда нейтрон находится в атомном ядре это не происходит. Этот факт можно объяснить различными способами. Например так, когда в ядре атома появляется электрон и лишний протон от распавшегося нейтрона, то тут же происходит обратная реакция – один из протонов поглощает электрон и превращается в нейтрон. Такая картина называется динамическим равновесием. Она наблюдалась в вселенной на ранней стадии ее развития вскоре после большого взрыва.

Кроме реакций распада есть еще реакции рассеяния – когда две или более частиц вступают во взаимодействие одновременно, и в результате получается одна или несколько других частиц. Также есть реакции поглощение, когда из двух или более частиц получается одна. Все реакции происходят в результате сильного слабого или электромагнитного взаимодействия. Реакции идущие за счет сильного взаимодействия идут быстрее всего, время такой реакции может достигать 10 в минус 20 секунды. Скорость реакций идущих за счет электромагнитного взаимодействия ниже, тут время может быть порядка 10 в минус 8 секунды. Для реакций слабого взаимодействия время может достигать десятков секунд а иногда и годы.

В завершении рассказа про частицы расскажем про кварки. Кварки – это элементарные частицы, имеющие электрический заряд кратный трети заряда электрона и которые не могут существовать в свободном состоянии. Их Взаимодействие устроено так, что они могут жить только в составе чего либо. Например комбинация из трех кварков определенного типа образуют протон. Другая комбинация дает нейтрон. Всего известно 6 кварков. Их различные комбинации дают нам разные частицы, и хотя далеко не все комбинации кварков разрешены физическими законами, частиц, составленных из кварков довольно много.

Здесь может возникнуть вопрос, как можно протон называть элементарным если он состоит из кварков. Очень просто – протон элементарен, так как его невозможно расщепить на составные части – кварки. Все частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии состоят из кварков, и при этом являются элементарными.

Понимание взаимодействий элементарных частиц очень важно для понимания устройства вселенной. Все что происходит с макро телами есть результат взаимодействия частиц. Именно взаимодействием частиц описываются рост деревьев на земле, реакции в недрах звезд, излучение нейтронных звезд и многое другое.

Автор статьи: Михаил Карневский

Вероятности и квантовая механика

» >

Виды взаимодействий

Вы можете приложить к своему отзыву картинки.

Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро – центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из одной элементарной частицы – протона.

Диаметр ядра атома равен примерно 10–13 – 10–12 см и составляет 0,0001 диаметра атома. Однако, практически вся масса атома (99,95-99,98%) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100–200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.

Протон – элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721 х 10–27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66 х 10–19 Кл. Кулон – единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).

Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, если в ядре один протон – это водород, если 26 протонов – это железо. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).

Нейтрон – электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х 10–27кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии – нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой – А). Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A – Z.

Электрон – элементарная частица, носитель наименьшей массы – 0,91095х10–27г и наименьшего электрического заряда – 1,6021х10–19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.

Позитрон – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.

Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид – вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом):
, Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами. Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.

Изотопы обозначают символом соответствующего химического элемента с расположенным сверху слева индексом А – массовым числом, иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Например, радиоактивные изотопы фосфора обозначают 32Р, 33Р или Р и Р соответственно. При обозначении изотопа без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, например, фосфор – 32, фосфор – 33.

Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов. Кроме изотопа водорода 1Н-протия, известен тяжелый водород 2Н-дей-терий и сверхтяжелый водород 3Н-тритий. У урана 11 изотопов, в природных соединениях их три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протона и соответственно 146,143 и 141 нейтрон.

В настоящее время известно более 1900 изотопов 108 химических элементов. Из них к естественным относятся все стабильные (их примерно 280) и естественные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Остальные относятся к искусственным, они получены искусственным путем в результате различных ядерных реакций.

Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента, например, изотопы углерода 12С и 14С. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, рекомендуется использовать термин «нуклиды», например, радионуклиды 90Sr, 131J, 137Cs.

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 Далтона многое объяснила 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. Это тип фундаментальных 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 равна \ (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 широко) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:

Наука на расстоянии

	Ионы
Протоны и электроны	На каждый протон в атомном центре, где-то на орбитали, будет электрон.Протон несет положительный заряд (+), а электрон несет отрицательный заряд (-), поэтому атомы элементов нейтральны, все положительные заряды нейтрализуют все отрицательные заряды. Атомы отличаются друг от друга количеством содержащихся в них протонов, нейтронов и электронов. Однако их расположение всегда следует одним и тем же принципам.
Вопрос стабильности	Водород и гелий иллюстрируют тот факт, что не все атомы обладают одинаковыми свойствами.Оба являются газами, но газообразный водород очень взрывоопасен, тогда как газообразный гелий полностью инертен и не может вступать в какие-либо химические реакции при нормальных обстоятельствах. Атомы водорода имеют один протон в центре и один электрон на самом низком энергетическом уровне. Атомы гелия, с другой стороны, имеют два протона и два электрона на самом низком энергетическом уровне. Самый низкий уровень энергии заполнен максимальным количеством электронов. Это очень стабильное устройство, и, как следствие, гелий является инертным газом с небольшими химическими свойствами. Водород имеет только один электрон на самом низком уровне энергии. Это очень нестабильное устройство, и газообразный водород претерпевает множество реакций, чтобы достичь стабильной электронной конфигурации, в которой его энергетический уровень либо пуст от электронов, либо заполнен электронами. Атомы наиболее стабильны, когда их внешний энергетический уровень либо пуст от электронов, либо заполнен электронами.
Ионы	Атомы натрия имеют 11 электронов.Два из них находятся на самом низком энергетическом уровне, восемь — на втором энергетическом уровне, а затем один электрон — на третьем энергетическом уровне. Это очень нестабильное устройство, и элемент натрия представляет собой смертоносное белое полутвердое вещество с высокой реакционной способностью, которое воспламеняется при контакте с воздухом или прожигает человеческую плоть при контакте. Реактивное вещество. Атомы хлора имеют 17 электронов. Два на низшем уровне, восемь на втором и 7 на третьем энергетическом уровне. Это тоже очень неустойчивое устройство.Этот элемент представляет собой газ при комнатной температуре и использовался во время Первой мировой войны в качестве ядовитого оружия атаки из-за его высокой реактивности с человеческими легкими. Эти два атома созданы друг для друга. Атомы натрия легко отдают единственный электрон на самой внешней орбитали. Этот электрон немедленно улавливается атомом хлора и помещается в последнее пустое пространство на своей внешней орбите. Теперь оба атомных устройства намного стабильнее. У них обоих есть крайние орбитали, заполненные электронами. Однако за эту стабильность приходится платить. Отказавшись от электрона, атом натрия потерял отрицательный электрический заряд. В нем все еще есть все положительно заряженные протоны, поэтому оставшаяся структура больше не является электрически нейтральной. Имеет чистый положительный заряд (+). Точно так же атом хлора получил этот дополнительный отрицательный заряд и никаких дополнительных протонов, поэтому теперь он несет чистый отрицательный заряд (-). Эти новые атомные структуры называются ионами , а процесс электронного обмена называется ионизацией .
Ионные связи	Ионные связи — это тип связи, образованный притяжением между противоположно заряженными ионами. Такие связи образуются, когда внешние электроны одного атома (например, натрия) постоянно переносятся на другой атом (например, хлор). Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом (называемым катионом ), а атом, который улавливает лишний электрон, становится отрицательно заряженным ионом (называемым анионом ). Противоположные заряды притягиваются друг к другу, в то время как одинаковые заряды отталкиваются. Таким образом, ионы ориентируются таким образом, что каждый положительный ион оказывается окруженным отрицательными ионами, а каждый отрицательный ион становится окруженным положительными ионами. Ионы располагаются так, что положительные и отрицательные заряды чередуются и уравновешивают друг друга. Хлорид натрия — это твердая пищевая добавка, более стабильная, чем любая из составляющих ее частей, все потому, что внешние энергетические уровни его атомов заполнены электронами.
… теперь вы исследуете ionss для себя.	Если вы читаете это сообщение, а не видите интерактивную анимацию, то … Вы, вероятно, используете слишком старый браузер (программное обеспечение, которое размещает Интернет на вашем компьютере) или не поддерживает эти функции. Если вы хотите, вы можете исправить эту ситуацию, обновив до браузера как минимум Netscape 4.0 или выше (или Internet Explorer 4.0 или выше). Кроме того, вам понадобится подключаемый модуль Sockwave, установленный в вашем браузере (примечание: иногда браузеры поставляются с уже установленным подключаемым модулем — проверьте).

Как мы определяем элементы

Как мы определяем элементы

Когда мы исследуем отдельный атом, именно количество протонов определяет элемент атома.Номер протонов — атомный номер (Z). Все атомы углерода имеют в ядре 6 протонов; у всех хлоринов есть 17 протонов в ядро. Большинство химиков используют периодическая таблица, чтобы найти такую ​​информацию. В Интернете есть много мест, где можно найти периодические таблицы. Посмотрите на тот, что на следующем сайте. Воспользуйтесь таблицей, чтобы определить атомный номер олова (Sn). Обратите внимание, что каждый элемент может быть представлен двухбуквенным символ, первая буква которого всегда заглавная, вторая буква, если есть один, не с большой буквы.

Что еще в ядре?

Нейтроны также находятся в ядре. В наиболее стабильных ядер количество нейтронов примерно равно количеству протоны. По мере увеличения числа протонов в ядре увеличивается количество нейтронов. В нейтроны, кажется, играют какую-то роль в стабилизации ядра.

В то время как атом хлора всегда имеет 17 протонов, он может иметь любое количество протонов. нейтроны. Два атома с одинаковым количество протонов и различное количество нейтронов называют изотопами. Для хлорида существуют два встречающихся в природе стабильных изотопа. У одного 18 нейтронов, а у другого 20 нейтронов. Поскольку протоны и нейтроны — единственные массивные частицы в атоме, массовое число атома (A) — это протоны плюс нейтроны.

Ион существует, когда протоны не равны электронам. Если электронов больше, чем протонов, чем атом отрицательно заряжено. Если протонов больше, чем электронов, чем положительно атом заряжено. Мы можем описать отдельный атом с помощью символа в в центре, атомный номер в нижнем левом углу, массовое число в верхнем левом углу и заряд в правом верхнем углу.

атомный номер = количество протонов

массовое число = протоны + нейтроны

заряд = протоны-электроны

или

Пример:

У этого атома олова 50 протонов, 69 нейтронов и 48 электронов.

Это один из шести стабильных изотопов олова. Этот изотоп также можно записать как олово-119. Когда элементы не сочетаются ни с чем другим, они обычно нейтральный (не заряжается.)

Вы можете добавить эту таблицу Менделеева в закладки.

http://periodic.lanl.gov/

биомолекул и химия жизни — протоны, нейтроны и электроны

Протоны, нейтроны и электроны

Chemistry 101 — A Subatomic Soap Opera

Когда дело доходит до вплоть до этого, в атомном мире достаточно драмы, чтобы соперничать с самыми эпическими теленовелла. Есть любовь. Есть ненависть. Узы образуются и разрываются. А также да, скандал. Но прежде всего мы должны познакомиться с актерами.

Основные персонажи

Протон наполовину наполненная стаканом девушка: у нее положительный заряд, она должна быть в атомном ядре — кому не нравится быть центром внимание? — и тусуется со своей лучшей подругой, нейтроном , . В нейтрон полностью устраивает эту ассоциацию, потому что она может жить в ядре бесплатно. Возьми? Одиночный протон весит 1,672623 × 10 ^-24 г, а единичный нейтрон весит чуть больше 1.6749286 × 10 ^-24 г. Их «жизни» буквально вращаются вокруг кого-то другого, а их крохотный размер и масса заставляют их чувствовать себя невидимыми. Неудивительно, что они такие отрицательный. Ладно, может быть, мы немного проектируем.

Хорошо это или плохо, но эти протоны, нейтроны и электроны составляют атом . В обычный старый атом, там ровно столько же протонов, сколько там электроны. Это означает, что блок в целом электрически нейтральный: его положительные и отрицательные флюиды нейтрализуются.

В природе, существует 92 вида атомов. Единственное, что делает один вид атома отличается от другого количества протонов, присутствующих в ядро, или атомный номер . Каждый вид атома является фундаментальной структурной единицей отдельного элемента .

Элементы — это субстанции, которые не могут быть подвергнуты дальнейшему разбиению, не потеряв этого почетного различия «субстанции». Все элементы перечислены для вашего удовольствия в периодическая таблица элементов.

Например, атом элемента кислорода имеет атомарный число 8 (что означает, что у него восемь протонов) и это наименьший «кусочек» кислорода, который вы может когда-либо иметь. Если вы разберете его дальше, у вас будет субатомный частицы, но они не будут иметь свойств кислорода. Это было бы как съесть кусок муки (фу), когда на самом деле ты хочешь шоколадное печенье.

Представление, углерод ( ¹² C):

И его дружелюбный сосед по периодической таблице, кислород ( ¹⁶ O):

Автор таким образом, этот верхний индекс рядом с элементом равен общее количество протонов и нейтронов в элементе.Проведя быстрые вычисления, мы знаем, что углерод-12, или ¹² C, имеет шесть протонов; следовательно, 12 — 6 = 6 нейтронов. Кислород-16, или ¹⁶ O, имеет восемь протонов и восемь нейтронов.

Brain Snack

Некоторые бактерии делают крошечные электрические провода, по которым могут течь электроны. Они называются нанопроводами, и вы можете проверить их здесь.

Структура атома — Атомный номер, массовое число и изотопы — Редакция GCSE Chemistry (Single Science) — Другое

Ядерная модель

Атомы содержат три субатомных частицы , которые называются протонами, нейтронами и электронами.

Протоны и нейтроны находятся в ядре в центре атома. Ядро намного меньше атома в целом. Электроны расположены в оболочках вокруг ядра.

Свойства субатомных частиц

Частица	Относительная масса	Относительный заряд
Протон	1	+1
Нейтрон	1	Нейтрон		Электрон	\ [\ frac {1} {1836} \]	-1

Число электронов в атоме всегда равно числу протонов, поэтому атомы в целом электрически нейтральны.

Атомы могут терять или приобретать электроны. Когда они это делают, они образуют заряженные частицы, называемые ионами :

• , если атом теряет один или несколько электронов, он становится положительно заряженным ионом
• , если атом получает один или несколько электронов, он становится a отрицательно заряженный ион

Фермилаб | Наука | Пытливые умы

Вопросы по физике, которые задают люди Фермилаб

Частицы и их свойства

Вопрос:
Я надеялся, что вы поможете мне узнать, как вычислить число протонов, число нейтронов и число электронов конкретный атом.Например, кислород 8 O 16, я не знаю, как вычислить это из. Заранее благодарим за помощь.
— D

---

Ответ:
Уважаемый D:

Ключевые свойства атома (например, кислорода) описываются Атомным Число (которое равно 8 для кислорода) и общее количество нуклонов (которое равно 16 для кислорода). Атомный номер дает количество протонов в атоме. В количество нуклонов дает общее количество протонов плюс нейтроны в атом.Число нуклонов всегда очень близко к атомному весу атом (что составляет 15,9994 для кислорода).

Вот простой способ запомнить это:
Поскольку атом электрически нейтрален, у него всегда одно и то же количество электроны (отрицательный заряд) и протоны (положительный заряд). Нейтроны конечно, нейтральны.

Теперь вы можете выяснить, сколько электронов, протонов и нейтронов в кислороде: Атомный номер (всегда меньший из двух) — 8.Следовательно, 8 протоны. Поскольку атом нейтрален, также имеется 8 электронов. Число нуклонов (которое является большим из двух чисел, потому что оно учитывает все нуклоны, а не только протоны): 16. Это общее количество протонов и нейтроны. Вычтите количество протонов (8), и вы получите количество нейтронов, что тоже 8.

Другой пример: железо, которое составляет 26 Fe 56. В нем 26 протонов, 26 электронов, и 56-26 = 30 нейтронов.

Чтобы найти атомные и групповые номера многих других элементов, вы можете посмотреть следующий веб-сайт: http: // www.webelements.com/

С наилучшими пожеланиями,

Курт

Вернуться на главную страницу вопросов по физике

Распадаются ли протоны? | журнал симметрии

Материал повседневного существования состоит из атомов, и все эти атомы состоят из одних и тех же трех вещей: электронов, протонов и нейтронов.

Протоны и нейтроны — очень похожие частицы во многих отношениях.Они состоят из одних и тех же кварков, которые являются еще более мелкими частицами, и имеют почти одинаковую массу.

Тем не менее, нейтроны, по-видимому, очень отличаются от протонов: они нестабильны. Нейтрон вне ядра атома распадается за считанные минуты на другие частицы.

А что насчет протонов?

Свободный протон — довольно обычное явление в космосе. Большая часть обычной материи (в отличие от темной материи) в галактиках и за их пределами находится в форме водородной плазмы, горячего газа, состоящего из несвязанных протонов и электронов.Если бы протоны были такими же нестабильными, как нейтроны, эта плазма в конечном итоге исчезла бы.

Но этого не происходит. Протоны — внутри атомов или свободно дрейфующие в космосе — кажутся удивительно стабильными. Мы никогда не видели ни одного распада.

Однако ничто существенное в физике не препятствует распаду протона. Фактически, стабильный протон был бы исключительным явлением в мире физики элементарных частиц, и несколько теорий требуют , что протоны распадаются.

Если протоны не бессмертны, что с ними происходит, когда они умирают, и что это означает для стабильности атомов?

Sandbox Studio, Чикаго с Рейдаром Ханом, Фермилаб

По правилам

Фундаментальная физика опирается на законы сохранения: сохраняются определенные величины, такие как энергия, импульс и электрический заряд.Сохранение энергии в сочетании со знаменитым уравнением E = mc ² означает, что частицы с меньшей массой не могут превратиться в частицы с большей массой без вливания энергии. Сочетание сохранения энергии с сохранением электрического заряда говорит нам о том, что электроны, вероятно, стабильны вечно: насколько нам известно, частицы меньшей массы с отрицательным электрическим зарядом не существуют.

Протоны не ограничены одинаковым образом: они массивнее, чем ряд других частиц, и тот факт, что они сделаны из кварков, позволяет им умереть несколькими способами.

Для сравнения: нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино. И энергия, и электрический заряд сохраняются при распаде: нейтрон немного тяжелее, чем протон и электрон вместе взятые, а положительно заряженный протон уравновешивает отрицательно заряженный электрон, чтобы гарантировать, что общий электрический заряд равен нулю как до, так и до после распада. (Нейтрино — или технически антинейтрино, версия антивещества — необходимо для уравновешивания других вещей, но это история для другого дня.)

Поскольку атомы стабильны, и мы никогда не видели, чтобы протон умирал, возможно, протоны по своей природе стабильны. Однако, как указывает Калади Бабу из Государственного университета Оклахомы, не существует «закона сохранения протона», подобного сохранению заряда для сохранения протона.

«Вы задаете вопрос: что, если протон распадется?» он говорит. «Нарушает ли это какой-либо фундаментальный принцип физики? И ответ нет.»

Нет кишок, нет славы

Итак, если нет правила против распада протона, есть ли причина, по которой ученые ожидают его увидеть? да.Распад протона — это сильнейшее проверяемое предсказание нескольких теорий великого объединения, или GUT.

GUT объединяют три из четырех фундаментальных сил природы: электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие. (Гравитация не включена, потому что у нас еще нет квантовой теории.)

Первый GUT, предложенный в 1970-х годах, потерпел неудачу. Среди прочего, он предсказал достаточно короткое время жизни протона, чтобы эксперименты должны были увидеть распады, а они этого не сделали. Однако идея великого объединения все еще была достаточно ценной, чтобы физики элементарных частиц продолжали ее искать.(Можно сказать, что у них было ИНТЕРНЕТ-чувство. Или нет.)

«Идея великого объединения действительно прекрасна и объясняет многие вещи, которые кажутся странными совпадениями», — говорит теоретик Джонатан Фенг, физик из Калифорнийского университета в Ирвине.

Фэн особенно заинтересован в GUT, который включает суперсимметрию, разновидность физики элементарных частиц, которая потенциально может объяснить широкий спектр явлений, включая невидимую темную материю, которая связывает галактики вместе.Суперсимметричные GUT предсказывают некоторые новые взаимодействия, которые, как приятный побочный эффект, приводят к увеличению продолжительности жизни протонов, но все же оставляют распад протона в пределах области экспериментального обнаружения. Из-за различий между суперсимметричными и несуперсимметричными GUT, Фен говорит, что скорость распада протона может быть первым реальным признаком суперсимметрии в лаборатории.

Однако суперсимметрия не требуется для GUT. Бабу любит GUT, который разделяет многие преимущества суперсимметричных версий.Техническое название этого GUT — SO (10), потому что его математическая структура включает вращения в 10 мнимых измерениях. Теория включает важные особенности, отсутствующие в Стандартной модели, такие как массы нейтрино, и может объяснить, почему в космосе больше материи, чем антивещества. Естественно, он предсказывает распад протона.

Sandbox Studio, Чикаго с Рейдаром Ханом, Фермилаб

Поиск распада протона

Многое зависит от существования распада протона, и все же мы никогда не видели, чтобы протон умирал.Причина может быть просто в том, что протоны распадаются редко — гипотеза, подтвержденная как экспериментом, так и теорией. Эксперименты говорят, что время жизни протона должно быть больше примерно 10 ³⁴ лет: это единица, за которой следует 34 нуля.

Для справки, Вселенной всего 13,8 миллиарда лет, что примерно равно единице, за которой следуют 10 нулей. Протоны в среднем переживут каждую звезду, галактику и планету, даже те, которые еще не родились.

Ключевая фраза в последнем предложении — «в среднем.Как говорит Фэн, это не похоже на то, что «каждый протон прослужит 10 ³⁴ лет, а затем, через 10 ³⁴ лет, все они взорвутся! пуф! в клубах дыма все они исчезают ».

Из-за квантовой физики время распада любого данного протона является случайным, поэтому крошечная его часть распадется задолго до этого времени жизни 10 ³⁴ лет. Итак, «что вам нужно сделать, так это собрать вместе целую кучу протонов», — говорит он. Увеличение количества протонов увеличивает вероятность того, что один из них распадется, пока вы смотрите.

Второй важный шаг — изолировать эксперимент от частиц, которые могут имитировать распад протона, поэтому любой реалистичный эксперимент по распаду протона должен проводиться глубоко под землей, чтобы изолировать его от случайных прохожих частиц. Этой стратегии придерживается действующий в настоящее время эксперимент Супер-Камиоканде в Японии, который состоит из огромного резервуара с 50 000 тонн воды в шахте. Предстоящий эксперимент Deep Underground Neutrino, который будет расположен на бывшем золотом руднике в Южной Дакоте, будет состоять из 40 000 тонн жидкого аргона.

Поскольку эти два эксперимента основаны на разных типах атомов, они чувствительны к разным способам распада протонов, что покажет, какая GUT верна… если какая-либо из текущих моделей верна. И Super-Kamiokande, и DUNE — это в первую очередь нейтринные эксперименты, говорит Фен, «но нас так же интересуют возможности распада протона в этих экспериментах, как и нейтринные аспекты».

В конце концов, распад протона следует из глубоких представлений о фундаментальных принципах работы космоса.Если протоны действительно распадаются, это так редко, что человеческие тела не пострадают, но не наше понимание. Воздействие этого знания было бы огромным и стоило крошечной нестабильности.

Sandbox Studio, Чикаго с Рейдаром Ханом, Фермилаб

.