Состав атомного ядра. Число протонов — урок. Химия, 8–9 класс.

Предложенная Э. Резерфордом в \(1911\) году ядерная (планетарная) модель строения атома сводится к следующим положениям:

• атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов;
• более \(99,96\) % массы атома сосредоточено в его ядре;
• диаметр ядра примерно в сто тысяч раз меньше диаметра самого атома.

Согласно этой модели можно дать следующее определение атома:

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ядро атома состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (ядерные частицы).

Протон  (\(p\)) — частица, имеющая заряд \(+1\) и относительную массу, равную \(1\).

Нейтрон  (\(n\)) — частица без заряда с относительной массой \(1\).

К элементарным частицам относятся также электроны (\(e\)), которые образуют электронную оболочку атома.

 

Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу. Масса электрона составляет 11840 массы протона и нейтрона. Поэтому основная масса атома сосредоточена в его ядре.

 

Протон имеет положительный заряд \(+1\). Заряд электрона — отрицательный и по величине равен заряду протона: \(–\)\(1\).

 

Частицы	Обозначения	Относительная  масса	Относительный     заряд
Протон	\(p\)	\(1\)	\(+1\)
Нейтрон	\(n\)	\(1\)	\(0\)
Электрон	\(e\)	\(1/1840\)	\(–1\)

 

Установлено, что число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице.

 

Заряд ядра определяется числом протонов в нём. Значит, заряд ядра тоже равен порядковому номеру элемента.

 

Атом — электронейтральная частица, поэтому число электронов в нём равно числу протонов.

 

Обрати внимание!

Порядковый номер элемента \(=\) заряд ядра атома \(=\) число протонов в ядре \(=\) число электронов  в атоме.

Водород — элемент № \(1\). Заряд ядра его атома равен \(+1\). В ядре находится один протон, а в электронной оболочке — один электрон.

 

Углерод — элемент № \(6\). Заряд ядра его атома равен \(+6\), в нём — \(6\) протонов. В атоме содержится \(6\) электронов с общим зарядом \(–\)\(6\).

 

Обрати внимание!

Заряд ядра — главная характеристика атома.

Изучение строения атомных ядер привело к уточнению формулировки периодического закона. Современная формулировка звучит следующим образом:

cвойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величин зарядов ядер их атомов.

Что такое протон, и что у него внутри? / Habr

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 10³ = 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/с² 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/с².

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 < 0,1) энергии протона, и вероятность столкнуться с частицей, переносящей мало энергии, гораздо больше вероятности столкнуться с частицей, переносящей много. При этом, 10% — не так уж и мало. В 2012 году лучи на БАК достигали энергий в 4 ТэВ, поэтому 10% означало 400 ГэВ. При этом для того, чтобы создать частицу хиггса энергией 124 ГэВ из двух глюонов требуется всего 62 ГэВ на глюон.

• 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 c², 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.

Рис. 13: данные (чёрные точки) соответствуют теоретическим предсказаниям (красные колонки). Получено из измерения энергии электронов в столкновениях.

Получается, что данные вполне хорошо совпадают с теоретическими ожиданиями. Поэтому мы можем подтвердить, что, в самом деле, большая часть частиц в протоне – это глюоны, переносящие малую долю энергии протона.

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

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

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

Что такое атом?

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

Из чего состоит атом?

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

Что такое нейтрон?

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

Что такое протон?

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

Что такое электрон?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Определение числа нейтронов

Для определения числа нейтронов N в ядре нужно воспользоваться формулой:

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

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

Это выглядит так:

Данная запись обозначает следующее:

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

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

Строение атомов первых десяти химических элементов таблицы Менделеева

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

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

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

Число электронных слоев в атоме химического элемента равняется номеру периода.

Правило Хунда

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

Изображение электронной формулы Азота в графическом виде

Изображение электронной формулы Кислорода в графическом виде

Изображение электронной формулы Неона в графическом виде

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

Что такое изотопы

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

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

Есть ли что-то меньше ядра атома

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

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

Разница между протоном, нейтроном и электронами

Главное отличие — Протон против Нейтрона против Электронов

Протоны, нейтроны и электроны обычно называют субатомными частицами. Они являются важными компонентами для построения атома. Каждый атом имеет разное количество протонов, нейтронов и электронов. И именно так атомы сохраняют свою индивидуальность и уникальность. У них разные заряды и разные массы. Кроме того, роли каждой из субатомных частиц весьма отличаются друг от друга. главное отличие между протоном, нейтроном и электронами можно найти их заряды.Протоны заряжены положительно, а нейтроны нейтральны, а электроны заряжены отрицательно.

Что такое протоны

Протоны находятся в ядре атома, и они находятся вместе с нейтронами. Протон был открыт Эрнестом Резерфордом, который утверждал, что большая часть пространства атома пуста, а масса была сосредоточена только в небольшой плотной области внутри атома, называемого ядром. Протоны положительно заряженный, Заряд в этом случае определяется величиной кулоновского заряда электрона. Заряд протона равен заряду электрона и, следовательно, может быть выражен как 1e. (1e = 1,602 * 10^-19 С). Атомное ядро ​​остается положительно заряженным благодаря наличию протонов.

Протоны тяжелы, и у них есть масса 1.672 * 10^-27 кг, Как уже упоминалось выше, протоны легко вносят вклад в массу атома. Протоны вместе с нейтронами называются «нуклонами». В каждом атоме присутствует один или несколько протонов. Число протонов отличается в каждом атоме и образует идентичность атома. Когда элементы группируются в периодической таблице, число протонов используется в качестве атомного номера этого элемента.

Протон символизируется как ‘п. Протоны не участвуют в химических реакциях, а только подвергаются ядерным реакциям.

Что такое нейтроны

Как уже упоминалось выше, нейтроны находятся вместе с протонами в ядре. Однако нейтроны не взимается частицы. Следовательно, он может удобно делить пространство с протонами без каких-либо сил отталкивания. Например, если бы нейтроны были заряжены отрицательно, они бы притягивались к протонам, или, если бы они были заряжены положительно, возникла бы отталкивающая сила. Нейтроны весят немного выше, чем протоны. Тем не менее, это примерно считается масса одной атомной единицы массы, Количество нейтронов, вместе с числом протонов, образуют атомное массовое число. Количество нейтронов и протонов внутри ядра не одинаково. Нейтрон может быть обозначен символом ‘N. » Нейтроны также не участвуют в химических реакциях и подвергаются только ядерным реакциям.

Что такое электроны

Электроны являются третьим типом субатомных частиц, и они находятся на орбите вокруг ядра атома в дискретных оболочках с дискретными уровнями энергии. Электроны отрицательно заряженныйи каждый электрон несет заряд, равный 1e. Вес электронов настолько мал, что считается незначительным по сравнению с массами протонов и нейтронов.

Так же, как число протонов, число электронов в атоме несет идентичность каждого элемента. То, как электроны распределяются в оболочках внутри каждого элемента, выражается их электронной конфигурацией. Количество электронов аналогично количеству протонов, найденных в элементе. Электроны обозначаются как ‘е. Электроны — единственная субатомная частица, которая участвует в химических реакциях. Они также принимают участие в определенных ядерных реакциях.

Разница между протоном, нейтроном и электронами

Определение

Протон является положительно заряженной субатомной частицей, найденной в атоме.

нейтрон нейтральная субатомная частица, найденная в атоме.

электрон является отрицательно заряженной субатомной частицей, найденной в атоме.

Проживание в атоме

Протоны находятся в ядре; они принадлежат к группе нуклонов.

Нейтроны находятся в ядре; они принадлежат к группе нуклонов.

Электроны встречаются на орбите вокруг ядра атома на определенных энергетических уровнях.

Обвинять

Протоны положительно заряжены.

Нейтроны нейтральны.

Электроны отрицательно заряжены.

Вес

Протоны весить 1.672 * 10^-27 кг.

Нейтроны весят немного выше, чем протоны.

Вес электроны ничтожно мал по сравнению с весом протонов и нейтронов.

Символы

Протоны символизируются как «р.»

Нейтроны символизируются как «н.»

Электроны символизируются как «е.»

Реакции

Протоны принимать участие только в ядерных реакциях.

Нейтроны только подвергаться ядерным реакциям.

Электроны принимать участие как в химических, так и в ядерных реакциях.

Изображение предоставлено:

«Кварковая структура протона» от Арпада Хорват — собственная работа.

Многоликий протон

Игорь Иванов
«Квант» №5, 2009

Изучая строение вещества, физики узнали, из чего сделаны атомы, добрались до атомного ядра и расщепили его на протоны и нейтроны. Все эти шаги давались довольно легко — надо было лишь разогнать частицы до нужной энергии, столкнуть их друг с другом, и тогда они сами разваливались на составные части.

А вот с протонами и нейтронами такой трюк уже не прошел. Хотя они и являются составными частицами, их не удается «разломать на части» ни в каком даже самом сильном столкновении. Поэтому физикам потребовались десятилетия для того, чтобы придумать разные способы заглянуть внутрь протона, увидеть его устройство и форму. В наши дни изучение структуры протона — одна из самых активных областей физики элементарных частиц.

Природа дает намеки

История изучения структуры протонов и нейтронов берет свое начало с 1930-х годов. Когда в дополнение к протонам были открыты нейтроны (1932), то, измерив их массу, физики с удивлением обнаружили, что она очень близка к массе протона. Более того, оказалось, что протоны и нейтроны «чувствуют» ядерное взаимодействие совершенно одинаковым образом. Настолько одинаковым, что, с точки зрения ядерных сил, протон и нейтрон можно считать как бы двумя проявлениями одной и той же частицы — нуклона: протон — это электрически заряженный нуклон, а нейтрон — нейтральный нуклон. Поменяйте протоны на нейтроны — и ядерные силы (почти) ничего не заметят.

Физики это свойство природы выражают как симметрию — ядерное взаимодействие симметрично относительно замены протонов на нейтроны, подобно тому как бабочка симметрична относительно замены левого на правое. Эта симметрия, кроме того что она сыграла важную роль в ядерной физике, была на самом деле первым намеком на то, что у нуклонов имеется интересное внутреннее строение. Правда, тогда, в 30-е годы, физики этот намек не осознали.

Понимание пришло позже. Началось с того, что в 1940–50-е годы в реакциях столкновения протонов с ядрами различных элементов ученые с удивлением обнаруживали всё новые и новые частицы. Не протоны, не нейтроны, не открытые к тому времени пи-мезоны, которые удерживают нуклоны в ядрах, а какие-то совсем новые частицы. При всём своем разнообразии эти новые частицы обладали двумя общими свойствами. Во-первых, они, так же как и нуклоны, очень охотно участвовали в ядерных взаимодействиях — сейчас такие частицы называют адронами. А во-вторых, они были исключительно нестабильными. Самые неустойчивые из них распадались на другие частицы всего за триллионную долю наносекунды, не успев пролететь даже на размер атомного ядра!

Долгое время «зоопарк» адронов представлял из себя полную мешанину. В конце 1950-х годов физики узнали уже достаточно много разных видов адронов, начали сравнивать их друг с другом и вдруг увидели некую общую симметричность, даже периодичность их свойств. Была высказана догадка, что внутри всех адронов (в том числе и нуклонов) сидят некие простые объекты, которые получили название «кварки». Комбинируя кварки разными способами, можно получать разные адроны, причем именно такого типа и с такими свойствами, которые обнаруживались в эксперименте.

Что делает протон протоном?

После того как физики открыли кварковое устройство адронов и узнали, что кварки бывают нескольких разных сортов, стало понятно, что из кварков можно сконструировать много различных частиц. Так что уже никого не удивляло, когда последующие эксперименты продолжали один за другим находить новые адроны. Но среди всех адронов обнаружилось целое семейство частиц, состоящих, точно так же как и протон, только из двух u-кварков и одного d-кварка. Этакие «собратья» протона. И вот тут физиков подстерегал сюрприз.

Давайте сначала сделаем одно простое наблюдение. Если у нас есть несколько предметов, состоящих из одинаковых «кирпичиков», то более тяжелые предметы содержат больше «кирпичиков», а более легкие — меньше. Это очень естественный принцип, который можно называть принципом комбинирования или принципом надстройки, и он прекрасно выполняется как в повседневной жизни, так и в физике. Он проявляется даже в устройстве атомных ядер — ведь более тяжелые ядра просто состоят из большего числа протонов и нейтронов.

Однако на уровне кварков этот принцип совершенно не работает, и, надо признаться, физики еще не до конца разобрались, почему. Оказывается, тяжелые собратья протона тоже состоят из тех же самых кварков, что и протон, хотя они в полтора, а то и в два раза тяжелее протона. Они отличаются от протона (и различаются между собой) не составом, а взаимным расположением кварков, тем, в каком состоянии относительно друг друга эти кварки находятся. Достаточно изменить взаимное положение кварков — и мы из протона получим другую, заметно более тяжелую, частицу.

А что будет, если все-таки взять и собрать вместе больше трех кварков? Получится ли новая тяжелая частица? Удивительно, но не получится — кварки разобьются по трое и превратятся в несколько разрозненных частиц. Почему-то природа «не любит» объединять много кварков в одно целое! Лишь совсем недавно, буквально в последние годы, стали появляться намеки на то, что некоторые многокварковые частицы всё же существуют, но это лишь подчеркивает, насколько природа их не любит.

Из этой комбинаторики следует очень важный и глубокий вывод — масса адронов вовсе не складывается из массы кварков. Но если массу адрона можно увеличить или уменьшить простым перекомбинированием составляющих его кирпичиков, значит, вовсе не сами кварки ответственны за массу адронов. И действительно, в последующих экспериментах удалось узнать, что масса самих кварков составляет лишь около двух процентов от массы протона, а вся остальная тяжесть возникает за счет силового поля (ему отвечают специальные частицы — глюоны), связывающего кварки вместе. Изменяя взаимное расположение кварков, например отодвигая их подальше друг от друга, мы тем самым изменяем глюонное облако, делаем его более массивным, из-за чего и возрастает масса адрона (рис. 1).

Что творится внутри быстро летящего протона?

Всё описанное выше касается неподвижного протона, на языке физиков — это устройство протона в его системе покоя. Однако в эксперименте структура протона была впервые обнаружена в других условиях — внутри быстро летящего протона.

В конце 1960-х годов в экспериментах по столкновению частиц на ускорителях было замечено, что летящие с околосветовой скоростью протоны вели себя так, словно энергия внутри них не распределена равномерно, а сконцентрирована в отдельных компактных объектах. Эти сгустки вещества внутри протонов знаменитый физик Ричард Фейнман предложил называть партонами (от английского part — часть).

В последующих экспериментах были изучены многие свойства партонов — например, их электрический заряд, их количество и доля энергии протона, которую каждый из них несет. Оказывается, заряженные партоны — это кварки, а нейтральные партоны — это глюоны. Да-да, те самые глюоны, которые в системе покоя протона просто «прислуживали» кваркам, притягивая их друг к другу, теперь являются самостоятельными партонами и наряду с кварками несут «вещество» и энергию быстро летящего протона. Опыты показали, что примерно половина энергии запасена в кварках, а половина — в глюонах.

Партоны удобнее всего изучать в столкновении протонов с электронами. Дело в том, что, в отличие от протона, электрон не участвует в сильных ядерных взаимодействиях и его столкновение с протоном выглядит весьма просто: электрон на очень короткое время испускает виртуальный фотон, который врезается в заряженный партон и порождает в конце концов большое число частиц (рис. 2). Можно сказать, что электрон является отличным скальпелем для «вскрытия» протона и разделения его на отдельные части — правда, лишь на очень короткое время. Зная, как часто происходят такие процессы на ускорителе, можно измерить количество партонов внутри протона и их заряды.

Кто такие партоны на самом деле?

И здесь мы подходим к еще одному поразительному открытию, которое сделали физики, изучая столкновения элементарных частиц при высоких энергиях.

В обычных условиях вопрос о том, из чего состоит тот или иной предмет, имеет универсальный ответ для всех систем отсчета. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода — и не важно, смотрим ли мы на неподвижную или на движущуюся молекулу. Однако это правило — казалось бы, такое естественное! — нарушается, если речь идет об элементарных частицах, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. В одной системе отсчета сложная частица может состоять из одного набора субчастиц, а в другой системе отсчета — из другого. Получается, что состав — понятие относительное!

Как такое может быть? Ключевым здесь является одно важное свойство: количество частиц в нашем мире не фиксировано — частицы могут рождаться и исчезать. Например, если столкнуть вместе два электрона с достаточно большой энергией, то вдобавок к этим двум электронам может родиться либо фотон, либо электрон-позитронная пара, либо еще какие-нибудь частицы. Всё это разрешено квантовыми законами, именно так и происходит в реальных экспериментах.

Но этот «закон несохранения» частиц работает при столкновениях частиц. А как же получается, что один и тот же протон с разных точек зрения выглядит состоящим из разного набора частиц? Дело в том, что протон — это не просто три кварка, сложенные вместе. Между кварками существует силовое глюонное поле. Вообще, силовое поле (как, например, гравитационное или электрическое поле) — это некая материальная «сущность», которая пронизывает пространство и позволяет частицам оказывать силовое влияние друг на друга. В квантовой теории поле тоже состоит из частиц, правда из особенных — виртуальных. Количество этих частиц не фиксировано, они постоянно «отпочковываются» от кварков и поглощаются другими кварками.

Покоящийся протон действительно можно представить себе как три кварка, между которыми перескакивают глюоны. Но если взглянуть на тот же протон из другой системы отсчета, словно из окна проезжающего мимо «релятивистского поезда», то мы увидим совсем иную картину. Те виртуальные глюоны, которые склеивали кварки вместе, покажутся уже менее виртуальными, «более настоящими» частицами. Они, конечно, по-прежнему рождаются и поглощаются кварками, но при этом какое-то время живут сами по себе, летят рядом с кварками, словно настоящие частицы. То, что выглядит простым силовым полем в одной системе отсчета, превращается в другой системе в поток частиц! Заметьте, сам протон мы при этом не трогаем, а только смотрим на него из другой системы отсчета.

Дальше — больше. Чем ближе скорость нашего «релятивистского поезда» к скорости света, тем более удивительную картину внутри протона мы увидим. По мере приближения к скорости света мы заметим, что глюонов внутри протона становится всё больше и больше. Более того, они иногда расщепляются на кварк-антикварковые пары, которые тоже летят рядом и тоже считаются партонами. В результате ультрарелятивистский протон, т. е. протон, движущийся относительно нас со скоростью, очень близкой к скорости света, предстает в виде взаимопроникающих облачков кварков, антикварков и глюонов, которые летят вместе и как бы поддерживают друг друга (рис. 3).

Читатель, знакомый с теорией относительности, может забеспокоиться. Вся физика основана на том принципе, что любой процесс протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчета. А тут получается, что состав протона зависит от системы отсчета, из которой мы его наблюдаем?!

Да, именно так, но это никак не нарушает принцип относительности. Результаты физических процессов — например, какие частицы и сколько рождаются в результате столкновения — действительно оказываются инвариантными, хотя состав протона зависит от системы отсчета.

Эта необычная на первый взгляд, но удовлетворяющая всем законам физики ситуация схематично проиллюстрирована на рисунке 4. Здесь показано, как столкновение двух протонов с большой энергией выглядит в разных системах отсчета: в системе покоя одного протона, в системе центра масс, в системе покоя другого протона. Взаимодействие между протонами осуществляется через каскад расщепляющихся глюонов, но только в одном случае этот каскад считается «внутренностью» одного протона, в другом случае — частью другого протона, а в третьем — это просто некий объект, которым обмениваются два протона. Этот каскад существует, он реален, но к какой части процесса его надо относить — зависит от системы отсчета.

Трехмерный портрет протона

Все результаты, про которые мы только что рассказали, базировались на экспериментах, выполненных довольно давно — в 60–70-х годах прошлого века. Казалось бы, с тех пор всё уже должно быть изучено и все вопросы должны найти свои ответы. Но нет — устройство протона по-прежнему остается одной из самых интересных тем в физике элементарных частиц. Более того, в последние годы интерес к ней снова возрос, потому что физики поняли, как получить «трехмерный» портрет быстро движущегося протона, который оказался гораздо сложнее портрета неподвижного протона.

Классические эксперименты по столкновению протонов рассказывают лишь о количестве партонов и их распределении по энергии. В таких экспериментах партоны участвуют как независимые объекты, а значит, из них нельзя узнать, как партоны расположены друг относительно друга, как именно они складываются в протон. Можно сказать, что долгое время физикам был доступен лишь «одномерный» портрет быстро летящего протона.

Для того чтобы построить настоящий, трехмерный, портрет протона и узнать распределение партонов в пространстве, требуются гораздо более тонкие эксперименты, чем те, которые были возможны 40 лет назад. Такие эксперименты физики научились ставить совсем недавно, буквально в последнее десятилетие. Они поняли, что среди огромного количества разных реакций, которые происходят при столкновении электрона с протоном, есть одна особенная реакция — глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние, — которая и сможет рассказать о трехмерной структуре протона.

Вообще, комптоновским рассеянием, или эффектом Комптона, называют упругое столкновение фотона с какой-нибудь частицей, например с протоном. Выглядит оно так: прилетает фотон, поглощается протоном, который на короткое время переходит в возбужденное состояние, а потом возвращается в исходное состояние, испуская фотон в каком-нибудь направлении.

Комптоновское рассеяние обычных световых фотонов не приводит ни к чему интересному — это простое отражение света от протона. Для того чтобы «вступила в игру» внутренняя структура протона и «почувствовались» распределения кварков, надо использовать фотоны очень большой энергии — в миллиарды раз больше, чем в обычном свете. А как раз такие фотоны — правда, виртуальные — легко порождает налетающий электрон. Если теперь объединить одно с другим, то и получится глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние (рис. 5).

Главная особенность этой реакции состоит в том, что она не разрушает протон. Налетающий фотон не просто бьет по протону, а как бы тщательно его ощупывает и затем улетает прочь. То, в какую сторону он улетает и какую часть энергии у него отбирает протон, зависит от устройства протона, от взаимного расположения партонов внутри него. Именно поэтому, изучая этот процесс, можно восстановить трехмерный облик протона, как бы «вылепить его скульптуру».

Правда, для физика-экспериментатора сделать это очень непросто. Нужный процесс происходит довольно редко, и зарегистрировать его трудно. Первые экспериментальные данные об этой реакции были получены лишь в 2001 году на ускорителе HERA в немецком ускорительном комплексе DESY в Гамбурге; новая серия данных сейчас обрабатывается экспериментаторами. Впрочем, уже сегодня, на основании первых данных, теоретики рисуют трехмерные распределения кварков и глюонов в протоне. Физическая величина, про которую физики раньше строили лишь предположения, наконец стала «проступать» из эксперимента.

Ждут ли нас какие-нибудь неожиданные открытия в этой области? Вполне вероятно, что да. В качестве иллюстрации скажем, что в ноябре 2008 года появилась интересная теоретическая статья, в которой утверждается, что быстро летящий протон должен иметь вид не плоского диска, а двояковогнутой линзы. Так получается потому, что партоны, сидящие в центральной области протона, сильнее сжимаются в продольном направлении, чем партоны, сидящие на краях. Было бы очень интересно проверить эти теоретические предсказания экспериментально!

Почему всё это интересно физикам?

Зачем вообще физикам надо знать, как именно распределено вещество внутри протонов и нейтронов?

Во-первых, этого требует сама логика развития физики. В мире есть много поразительно сложных систем, с которыми современная теоретическая физика пока не может полностью совладать. Адроны — одна из таких систем. Разбираясь с устройством адронов, мы оттачиваем способности теоретической физики, которые вполне могут оказаться универсальными и, возможно, помогут в чем-то совсем ином, например при изучении сверхпроводников или других материалов с необычными свойствами.

Во-вторых, тут есть непосредственная польза для ядерной физики. Несмотря на почти вековую историю изучения атомных ядер, теоретики до сих пор не знают точный закон взаимодействия протонов и нейтронов.

Им приходится этот закон отчасти угадывать, исходя из экспериментальных данных, отчасти конструировать на основе знаний о структуре нуклонов. Тут-то и помогут новые данные о трехмерном устройстве нуклонов.

В-третьих, несколько лет назад физики сумели получить ни много ни мало новое агрегатное состояние вещества — кварк-глюонную плазму. В таком состоянии кварки не сидят внутри отдельных протонов и нейтронов, а свободно гуляют по всему сгустку ядерного вещества. Достичь его можно, например, так: тяжелые ядра разгоняются в ускорителе до скорости, очень близкой к скорости света, и затем сталкиваются лоб в лоб. В этом столкновении на очень короткое время возникает температура в триллионы градусов, которая и расплавляет ядра в кварк-глюонную плазму. Так вот, оказывается, что теоретические расчеты этого ядерного плавления требуют хорошего знания трехмерного устройства нуклонов.

Наконец, эти данные очень нужны для астрофизики. Когда тяжелые звезды взрываются в конце своей жизни, от них часто остаются чрезвычайно компактные объекты — нейтронные и, возможно, кварковые звезды. Сердцевина этих звезд целиком состоит из нейтронов, а может быть даже и из холодной кварк-глюонной плазмы. Такие звезды уже давно обнаружены, но что происходит у них внутри — можно только догадываться. Так что хорошее понимание кварковых распределений может привести к прогрессу и в астрофизике.

Атомы. Ядро атома. Протоны, нейтроны, электроны. Сильное взаимодействие. Дальтон, а.е.м. Планетарная модель атома. Стационарные орбиты. Электронные оболочки. Физические модели. Ионы. Стремление к минимуму энергии. Потенциальная энергия

Main page / Генетика XXII века / АТОМЫ, АТОМНЫЕ ОБОЛОЧКИ / Атомы. Ядро атома. Протоны, нейтроны, электроны. Сильное взаимодействие. Дальтон, а.е.м. Планетарная модель атома. Стационарные орбиты. Электронные оболочки. Физические модели. Ионы. Стремление к минимуму энергии. Потенциальная энергия

Клетка состоит из молекул, а молекулы – из атомов, и именно поэтому, вопреки традиции, мы начнем с самого начала – с атомов. Мы узнаем – из чего они состоят и как между собой взаимодействуют. Для того, чтобы понимать в общих чертах разные генетические механизмы, слишком детально представлять себе устройство атома, конечно, не обязательно, но если ты хочешь более глубоко разобраться в межмолекулярных взаимодействиях, на которых и строится собственно вся биохимия, то без понимания того, как устроены атомные электронные оболочки, уж точно не обойтись, потому что именно взаимодействие электронных атомных оболочек, именно поведение электронов, расположенных на атомных оболочках — все это и является «химией» — как органической, так и неорганической.

Живая клетка представляет собой настолько поразительный организм, что для нее квантовая физика, физика элементарных частиц являются не чем-то далеким и отвлеченным, а самым что ни на есть актуальным, злободневным, данным ей в непосредственном «ощущении». Например, клеточные мембраны представляют собой настолько филигранно работающие механизмы, что кроме осуществления транспорта довольно крупных ионов они способны управлять даже отдельными протонами. А переконфигурация электронных облаков — совершенно обыденное дело при разнообразных превращениях веществ внутри и вовне клетки. Если ты не знаешь, что такое ионы, протоны и электронные облака, то сейчас мы это исправим.

Я прекрасно понимаю, что у многих есть аллергия на физику. Многие еще в детстве получили такую прививку, после которой уже даже и пробовать не хочется разобраться в устройстве атома. Но при определенной степени упрощения всё тут обстоит довольно просто — попробуй, увидишь.

Представить себе какой-нибудь атом можно довольно просто. Представь себе нечто вроде солнечной системы, ядро которой состоит из одного или нескольких тяжелых комочков материи, а вокруг ядра вращаются более мелкие. Это и есть самая элементарная картина атома.

Тяжелые частицы, находящиеся в ядре атома, бывают двух типов: протоны и нейтроны. На этой картинке мы тоже видим два вида шариков, окрашенных в разные цвета. Каждый протон имеет положительный электрический заряд, равный условной единице (+1), в то время как нейтрон электрически нейтрален, т.е. электрического заряда у него нет. Протоны и нейтроны почти одинаковы по массе и по размеру. Протоны и нейтроны очень плотно упакованы в ядре, тесно прижимаются друг к другу. Плотность материи в ядре такая, что кубический сантиметр такого вещества весил бы пол-миллиарда тонн!! Из такого материала состоят нейтронные звезды. Если такой кубик уронить себе под ноги, то он в силу своей огромной массы и маленького размера пролетел бы сквозь всю Землю, практически не замечая сопротивления — как сквозь газ, и так и продолжал бы летать туда-сюда вокруг центра тяжести Земли, делая дырку за дыркой.

За счет чего же протоны и нейтроны так притягиваются друг к другу? Ведь если протоны заряжен положительно, и если они так близко друг к другу расположены, то они должны отталкиваться друг от друга с огромной силой! Так и есть, они и отталкиваются, и энергия атомного взрыва – это и есть энергия разлетающихся друг от друга положительно заряженных протонов. Но есть другая сила, которая притягивает друг к другу и протоны к протонам, и нейтроны к нейтронам, и протоны к нейтронам. Эта сила называется «сильным взаимодействием», и работает она только на очень маленьких расстояниях. Стоит лишь немного подальше оттащить один протон от другого, как сильное взаимодействие между ними резко ослабнет, сила электрического отталкивания пересилит, и протоны разлетятся в стороны, и атом распадется с выделением большой энергии.

Эта сила никак себя не показывает в нашей обыденной жизни. Мы ходим по Земле, а не улетаем в космос, благодаря гравитации, которую пока что условно будем считать «силой». Кроме этого, мы везде вокруг себя видим проявления электрической и магнитной сил, которые являются на самом деле единой электромагнитной силой. С электричеством мы сталкиваемся не только тогда, когда суем вилку в розетку. Вот еще пример: трение, столь привычное нам, это тоже результат того, что электроны, принадлежащие атомам одной поверхности, вступают во взаимодействие с электронами, принадлежащими атомам другой поверхности, что и создает трение даже в том случае, когда обе поверхности будут идеально ровными на наш взгляд. А вот с сильным взаимодействием мы никаким образом в своем быту непосредственно не пересекаемся, хотя весь мир атомов, из которых мы состоим, обладает такой стабильностью именно потому, что нейтроны и протоны в ядре атомов очень мощно притягиваются ею друг к другу.

Мы видим на этой картинке и вращающиеся вокруг ядра электроны. По сравнению с протоном, электрон очень мал. Масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона.

Поскольку масса протона исключительно мала, то измерять ее в граммах было бы совершенно бессмысленно — пришлось бы писать слишком много нулей после запятой. Гораздо проще массу атомов и молекул измерять какой-то такой величиной, которая сравнима с ними. Поэтому сделали очень просто: ввели атомную единицу массы (а.е.м.), равную среднему между массами протона и нейтрона. Так как эти массы почти равны, то для простоты будем считать, что одна а.е.м равна массе одного протона. Часто вместо а.е.м. используют термин «дальтон» (Да), и пишут, например, так: «белок кальмодулин имеет молекулярный вес около 16700 Да».

Каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд, также равный условной единице со знаком минус (-1). Потому-то электроны и привязаны к атомному ядру — между ними и протонами возникает сильное электрическое притяжение. Есть очень интересные квантовые эффекты, которые обеспечивают стабильность атома, из-за которых электроны не падают на протоны, а остаются на своих «орбитах».

В любом атоме число протонов и число электронов одинаково, поэтому сумма положительных зарядов уравновешивается суммой отрицательных, так что на достаточном расстоянии от атома он является электрически нейтральным.

Электроны, хоть и привязаны к ядру очень прочно, все же могут быть оторваны от него ещё большей силой. Бывает и так, что при некоторых обстоятельствах атом захватывает дополнительные электроны. Если атом отдал один свой электрон (или несколько электронов), то теперь в нем электронов стало меньше, чем протонов, и атом становится положительно заряженным. Такой атом уже называется «ион», и в данном случае — это положительно заряженный ион. Если же атом захватил один или несколько лишних электронов, то он становится отрицательно заряженным ионом.

Количество протонов внутри ядра атома обозначается в физике буквой «Z», и это число имеет ключевое, огромное значение. Именно это и определяет — атом какого химического элемента находится перед нами. Ни количество нейтронов, ни количество электронов на это НЕ влияют. Если в ядре атома есть лишь один протон, то перед нами водород, сколько бы нейтронов и электронов там бы ни было. Если два протона, то перед нами гелий, и так далее. Порядковый номер элемента в периодической таблице элементов и показывает — сколько в его ядре находится протонов.

Все протоны совершенно одинаковы, идентичны, и все нейтроны одинаковы, и все электроны. И если из ядра гелия выбить один протон, то мы получим самый настоящий водород, неотличимый от других атомов водорода. И если из ядра свинца выбить три протона, то мы получим самое настоящее золото. И если из ядра ртути выбить один протон, то снова получим золото. Такие вещи ученые и сейчас уже умеют делать, но начать промышленное производство золота таким путем не выйдет, так как оно получается намного дороже того, которое можно купить на рынке.

Но если электроны, «вращающиеся» вокруг ядра, не оказывают никакого влияния на то, какой перед нами химический элемент, то это не значит, что они совсем не важны. С точки зрения химии, с точки зрения химических взаимодействий они как раз оказываются важнее, чем протоны в ядре, и легко понять – почему так. Ведь когда два атома приближаются друг к другу, то они начинают взаимодействовать между собой именно своими «электронными оболочками», то есть совокупностью «вращающихся» вокруг ядер электронов. Именно поэтому химические свойства элементов в гораздо большей степени зависят от того — как именно эти электроны начнут между собой взаимодействовать, чем от того, сколько там внутри протонов и тем более нейтронов.

Для того, чтобы понять, как именно электронные оболочки соседних атомов взаимодействуют друг с другом, нам надо для начала разобраться в том, как именно электроны в атомах располагаются на своих местах.

Знания о том, как электроны располагаются в атоме, или, иначе говоря, как устроены атомные электронные оболочки, не просто проверены тысячами экспериментов за последние сто лет, но на основании этих знаний еще и построены приборы, ставшие неотъемлемой частью нашей жизни, и эти приборы работают и приносят нам удовольствие:) А значит мы довольно хорошо понимаем устройство атомов, каким бы странным нам порой оно ни казалось. Мир атома слишком сильно отличается от мира привычных нам явлений. Эти отличия огромны, они порой невообразимы, но ученые научились понимать даже то, что они уже не в силах себе вообразить, и для этого им очень пригодились «модели». Нет, не те, что ходят по подиуму, хотя и те тоже вполне замечательны:)

Модель — это схематическое изображение какого-то объекта или процесса. Например, атом мы представили себе как ядро, состоящее из твердых массивных частичек, вокруг которого по орбитам носятся электроны. Это – планетарная модель атома. Вместо звезды тут мы поместили ядро атома, а вместо планет — электроны.

Эта схема понятна, проста, легко вообразима, и во многих случаях ее достаточно для адекватного понимания тех или иных физических процессов, но, пользуясь моделями, мы обязательно должны помнить о том, что это именно модель, а не фотография, и что на самом деле атом устроен так сложно, что непротиворечиво изобразить это одной картинкой мы не в состоянии. Поэтому всякая модель обычно делает для нас зримым, легко представимым лишь какой-то один аспект реальности, намеренно упуская из виду другие. Грамотность ученого заключается в том числе и в том, что он должен уметь пользоваться определенными моделями лишь там, где это уместно, и при необходимости или дополнять модель новыми элементами, или переходить от одной модели к другой.

Атомы очень стабильны, и состоящие из них молекулы тоже зачастую очень устойчивы, и из них состоят многие весьма устойчивые вещества, из которых мы можем строить весьма прочные вещи и пользоваться ими. Но если протоны и электроны с такой силой тянутся друг к другу, то что же им мешает в конце концов притянуться окончательно и слиться? Этим вопросом сто лет назад задавались многие физики, исследующие атом, и ответа так и не нашли. И не удивительно, ведь они пользовались слишком упрощенной планетарной моделью атома. Поняв это, они решили так изменить модель, чтобы она соответствовала экспериментальным данным. Опираясь на эксперимент, физики дополняли и усложняли модель атома, и сейчас мы узнаем — что у них получилось.

Новая модель представляет собою атомное ядро, окруженное несколькими орбитами, и электроны могут находиться только (!) на этих орбитах. Находиться между орбитами они не могут, у них нет такой физической возможности! Непривычно, да? Поэтому эти орбиты называют «стационарными орбитами». Еще их называют «уровнями», и так мы и будем их называть.

На первом, ближайшем к ядру уровне, может находиться максимум два электрона. На нем может не быть электронов вообще, или там может быть один электрон, как в атоме водорода, или два, как в атоме гелия, но больше двух электронов на первом уровне не может быть никак. Никогда. Ни при каких обстоятельствах. Первый уровень мы можем графически изображать как сферу вокруг ядра атома. Электроны могут находиться в любой точке этой сферы. В упрощенных, двумерных моделях, нарисованных на бумаге, первый уровень изображается просто как окружность, в центре которой находится ядро. На втором уровне любого атома может находиться максимум восемь электронов. Позже станет ясно — почему именно восемь.

Пользуясь этой моделью, мы можем теперь указать несколько закономерностей в поведении атомов, которые очень важны. Первая из них — это стремление электронов занимать более близкие к ядру уровни. Это можно легко представить, пользуясь аналогией из нашего макромира. (Очень важно помнить, что аналогия ничего не доказывает – она только демонстрирует, и это верно как в психологии, так и в физике и любой другой науке). Если положить мяч на склон холма, то он будет притягиваться к Земле, и это притяжение заставит его скатиться вниз настолько низко, насколько это возможно — на площадку перед холмом. Электроны ведут себя аналогично: протоны их притягивают, и они спрыгивают на самые нижние уровни, если это только возможно, если уровень еще не заполнен электронами до максимума. Такое поведение материальных систем называют стремлением к минимуму энергии. Это очень важный принцип, который с успехом можно применять и в космологии, и в изучении реакций между молекулами.

Когда я поднимаю с Земли мяч, кладу его на склон холма и отпускаю, он в результате притяжения Земли катится вниз: система «Земля-мяч» тоже стремится к минимуму энергии. Сейчас я объясню это более подробно. Когда я поднимаю мячик и кладу его на склон холма, он, благодаря наличию силового гравитационного поля Земли, притягивающего его, получает в этом поле потенциальную энергию — то есть теперь потенциально он способен двигаться, если мы его отпустим, и когда мяч докатится до земли, он будет иметь минимальную потенциальную энергию, доступную для него на данный момент. Аналогично дела обстоят и в атоме.

Если я захочу поднять ведро с водой на вершину холма, то мне надо будет потратить для этого энергию — взять ведро и, преодолевая влияние гравитационного поля Земли, поднять наверх. Мы говорим, что поднимая воду, я совершаю работу против направления силового поля гравитации, которое притягивает ведро вниз. Совершая работу против направления силового поля, я трачу энергию, но энергия никуда в природе не пропадает — она переходит из одного состояния в другое, поэтому если мы рассматриваем систему «Земля-ведро» в состоянии, когда ведро стоит под холмом, и в состоянии, когда оно поднято на вершину, то мы говорим, что во втором случае система «Земля-ведро» приобрела дополнительную энергию — ту самую, которая была мною потрачена, чтобы поднять его наверх. И теперь, когда ведро стоит на холме, вся составляющая его материя обладает дополнительной потенциальной энергией. Эта энергия при случае может высвободиться снова — например, вода, стекая вниз, может крутить лопасти турбины электростанции, и тогда потенциальная энергия воды превратится в электрическую энергию. Итак, энергия, изначально запасенная в моих мышцах в виде химической энергии белков, жиров и углеводов, была мною потрачена на подъем ведра, при этом она перешла в «потенциальную энергию в гравитационном поле Земли» ведра, стоящего на вершине холма.

Мы обязательно в будущем более подробно разберемся – что такое «энергия», а пока пойдем дальше.

Атомное ядро — Википедия

А́томное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома. Атомные ядра изучает ядерная физика.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным ℏ/2=h/4π{\displaystyle \hbar /2=h/4\pi }^{[сн 1]} и связанным с ним магнитным моментом. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий).

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.
В некоторых редких случаях могут образовываться короткоживущие экзотические атомы, у которых вместо нуклона ядром служат иные частицы.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z{\displaystyle Z} — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом, в таблице (Периодической системе элементов) Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N{\displaystyle N}^{[источник не указан 175 дней (обс.)]}. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом A{\displaystyle A} (A=N+Z{\displaystyle A=N+Z}) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами^[1][2][3].

В 1911 году Резерфорд в своём докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил^[4]:

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.

После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин — протон. В 1921 году Лиза Мейтнер предложила^[5] первую, протон-электронную, модель строения атомного ядра, согласно которой оно состоит из протонов, электронов и альфа-частиц^[6]:96. Однако в 1929 году произошла «азотная катастрофа» — В. Гайтлер и Г. Герцберг установили^[7], что ядро атома азота подчиняется статистике Бозе — Эйнштейна, а не статистике Ферми — Дирака, как предсказывала протон-электронная модель^[8][9]:374. Таким образом, эта модель вступила в противоречие с экспериментальными результатами измерений спинов и магнитных моментов ядер^[10]. В 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном. В том же году Иваненко^[11] и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. В дальнейшем, с развитием ядерной физики и её приложений, эта гипотеза была полностью подтверждена^[12].

Теории строения атомного ядра[править | править код]

В процессе развития физики выдвигались различные гипотезы строения атомного ядра; тем не менее, каждая из них способна описать лишь ограниченную совокупность ядерных свойств. Некоторые модели могут взаимоисключать друг друга.

Наиболее известными являются следующие:

Зарядовым числом Z{\displaystyle Z} полностью определяется химический элемент. Парой чисел Z{\displaystyle Z} и A{\displaystyle A} (массовое число) полностью определяется нуклид. Можно рассмотреть некоторые ядерно-физические характеристики нуклидов с заданными зарядовыми и массовыми числами.

Заряд[править | править код]

Число протонов в ядре Z{\displaystyle Z} определяет непосредственно его электрический заряд; у изотопов одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Ядерные свойства изотопов элемента, в отличие от химических, могут различаться чрезвычайно резко^[1].

Впервые заряды атомных ядер определил Генри Мозли в 1913 году. Свои экспериментальные наблюдения учёный интерпретировал зависимостью длины волны рентгеновского излучения от некоторой константы Z{\displaystyle Z}, изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:

1/λ=aZ−b{\displaystyle {\sqrt {1/\lambda }}=aZ-b}, где

a{\displaystyle a} и b{\displaystyle b} — постоянные.

Из чего Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атома, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента, может быть только зарядом атомного ядра, что стало известно под названием закон Мозли^[2].

Масса[править | править код]

Из-за разницы в числе нейтронов A−Z{\displaystyle A-Z} изотопы элемента имеют разную массу M(A,Z){\displaystyle M(A,Z)}, которая является важной характеристикой ядра. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м.), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида ¹²C^{[сн 2]}. Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида — это масса нейтрального атома. Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов (более точное значение получится, если учесть ещё и энергию связи электронов с ядром).

Кроме того, в ядерной физике часто используется энергетический эквивалент массы. Согласно соотношению Эйнштейна, каждому значению массы M{\displaystyle M} соответствует полная энергия:

E=Mc2{\displaystyle E=Mc^{2}}, где c{\displaystyle c} — скорость света в вакууме.

Соотношение между а. е. м. и её энергетическим эквивалентом в джоулях:

E1=1,660539⋅10−27⋅(2,997925⋅108)2=1,492418⋅10−10{\displaystyle E_{1}=1{,}660539\cdot 10^{-27}\cdot (2{,}997925\cdot 10^{8})^{2}=1{,}492418\cdot 10^{-10}},

а так как 1 электронвольт = 1,602176⋅10⁻¹⁹ Дж, то энергетический эквивалент а. е. м. в МэВ равен^[1][3]:

E1=931,494{\displaystyle E_{1}=931{,}494}.

Радиус[править | править код]

Анализ распада тяжёлых ядер уточнил оценку Резерфорда^{[сн 3]} и связал радиус ядра с массовым числом простым соотношением:

R=r0A1/3{\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}},

где r0{\displaystyle r_{0}} — константа.

Так как радиус ядра не является чисто геометрической характеристикой и связан прежде всего с радиусом действия ядерных сил, то значение r0{\displaystyle r_{0}} зависит от процесса, при анализе которого получено значение R{\displaystyle R}, усреднённое значение r0=1,23⋅10−15{\displaystyle r_{0}=1{,}23\cdot 10^{-15}} м, таким образом радиус ядра в метрах^[1][2]:

R=1,23⋅10−15A1/3{\displaystyle R=1{,}23\cdot 10^{-15}A^{1/3}}.

Моменты ядра[править | править код]

Как и составляющие его нуклоны, ядро имеет собственные моменты.

Спин[править | править код]

Поскольку нуклоны обладают собственным механическим моментом, или спином, равным 1/2{\displaystyle 1/2}, то и ядра должны иметь механические моменты. Кроме того, нуклоны участвуют в ядре в орбитальном движении, которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Орбитальные моменты принимают только целочисленные значения ℏ{\displaystyle \hbar } (постоянная Дирака). Все механические моменты нуклонов, как спины, так и орбитальные, суммируются алгебраически и составляют спин ядра.

Несмотря на то, что число нуклонов в ядре может быть очень велико, спины ядер обычно невелики и составляют не более нескольких ℏ{\displaystyle \hbar }, что объясняется особенностью взаимодействия одноимённых нуклонов. Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимно компенсируются, то есть пары всегда взаимодействуют с антипараллельными спинами. Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие из чётного числа протонов и чётного числа нейтронов, не имеют механического момента. Отличные от нуля спины существуют только у ядер, имеющих в своём составе непарные нуклоны, спин такого нуклона суммируется с его же орбитальным моментом и имеет какое-либо полуцелое значение: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра нечётно-нечётного состава имеют целочисленные спины: 1, 2, 3 и т. д.^[2].

Магнитный момент[править | править код]

Измерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с ними магнитных моментов. Они измеряются в магнетонах и у различных ядер равны от −2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов, поэтому их измерение гораздо сложнее. Как и спины, магнитные моменты измеряются спектроскопическими методами, наиболее точным является метод ядерного магнитного резонанса.

Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядер с непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона^[10].

Электрический квадрупольный момент[править | править код]

Атомные ядра, спин которых больше или равен единице, имеют отличные от нуля квадрупольные моменты, что говорит об их не точно сферической форме. Квадрупольный момент имеет знак плюс, если ядро вытянуто вдоль оси спина (веретенообразное тело), и знак минус, если ядро растянуто в плоскости, перпендикулярной оси спина (чечевицеобразное тело). Известны ядра с положительными и отрицательными квадрупольными моментами. Отсутствие сферической симметрии у электрического поля, создаваемого ядром с ненулевым квадрупольным моментом, приводит к образованию дополнительных энергетических уровней атомных электронов и появлению в спектрах атомов линий сверхтонкой структуры, расстояния между которыми зависят от квадрупольного момента^[2].

Энергия связи[править | править код]

Большая энергия связи нуклонов, входящих в ядро, говорит о существовании ядерных сил, поскольку известные гравитационные силы слишком малы, чтобы преодолеть взаимное электростатическое отталкивание протонов в ядре. Связь нуклонов осуществляется чрезвычайно короткодействующими силами, которые возникают вследствие непрерывного обмена частицами, называемыми пи-мезонами, между нуклонами в ядре.

Экспериментально было обнаружено, что для всех стабильных ядер масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов, взятых по отдельности. Эта разница называется дефектом массы или избытком массы и определяется соотношением:

ΔM(Z,A)=Zmp+(A−Z)mn−M(Z,A){\displaystyle \Delta M(Z,A)=Zm_{p}+(A-Z)m_{n}-M(Z,A)},

где mp{\displaystyle m_{p}} и mn{\displaystyle m_{n}} — массы свободного протона и нейтрона, M(Z,A){\displaystyle M(Z,A)} — масса ядра.

Согласно принципу эквивалентности массы и энергии дефект массы представляет собой массу, эквивалентную работе, затраченной ядерными силами, чтобы собрать все нуклоны вместе при образовании ядра. Эта величина равна изменению потенциальной энергии нуклонов в результате их объединения в ядро.

Энергия, эквивалентная дефекту массы, называется энергией связи ядра и равна:

Ec=(Zmp+(A−Z)mn−M(Z,A))c2{\displaystyle E_{c}=(Zm_{p}+(A-Z)m_{n}-M(Z,A))c^{2}},

где c{\displaystyle c} — скорость света в вакууме.

Другим важным параметром ядра является энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра, которую можно вычислить, разделив энергию связи ядра на число содержащихся в нём нуклонов:

ε=EcA{\displaystyle \varepsilon ={\frac {E_{c}}{A}}}

Эта величина представляет собой среднюю энергию, которую нужно затратить, чтобы удалить один нуклон из ядра, или среднее изменение энергии связи ядра, когда свободный протон или нейтрон поглощается в нём.

Как видно из поясняющего рисунка, при малых значениях массовых чисел удельная энергия связи ядер резко возрастает и достигает максимума при A≈50÷60{\displaystyle A\approx 50\div 60} (примерно 8,8 Мэв). Нуклиды с такими массовыми числами наиболее устойчивы. С дальнейшим ростом A{\displaystyle A} средняя энергия связи уменьшается, однако в широком интервале массовых чисел значение энергии почти постоянно (ϵ≈8{\displaystyle \epsilon \approx 8} МэВ), из чего следует, что можно записать Ec≈ϵA{\displaystyle E_{c}\approx \epsilon A}.

Такой характер поведения средней энергии связи указывает на свойство ядерных сил достигать насыщения, то есть на возможность взаимодействия нуклона только с малым числом «партнёров». Если бы ядерные силы не обладали свойством насыщения, то в пределах радиуса действия ядерных сил каждый нуклон взаимодействовал бы с каждым из остальных и энергия взаимодействия была бы пропорциональна A(A−1){\displaystyle A(A-1)}, а средняя энергия связи одного нуклона не была бы постоянной у разных ядер, а возрастала бы с ростом A{\displaystyle A}.

Общая закономерность зависимости энергии связи от массового числа описывается формулой Вайцзеккера в рамках теории капельной модели ядра^{[1][2][13][14]}.

Зависимость числа нейтронов N от числа протонов Z в атомных ядрах (N=A-Z).

Из факта убывания средней энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми A{\displaystyle A} энергетически выгоден процесс слияния — термоядерный синтез, приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими A{\displaystyle A} — процесс деления. В настоящее время оба этих процесса, приводящих к выделению энергии, осуществлены, причём последний лежит в основе современной ядерной энергетики, а первый находится в стадии разработки.

Детальные исследования показали, что устойчивость ядер также существенно зависит от параметра N/Z{\displaystyle N/Z} — отношения чисел нейтронов и протонов. В среднем для наиболее стабильных ядер^[15]N/Z≈1+0.015A2/3{\displaystyle N/Z\approx 1+0.015A^{2/3}}, поэтому ядра лёгких нуклидов наиболее устойчивы при N≈Z{\displaystyle N\approx Z}, а с ростом массового числа всё более заметным становится электростатическое отталкивание между протонами, и область устойчивости сдвигается в сторону N>Z{\displaystyle N>Z}(см. поясняющий рисунок).

Если рассмотреть таблицу стабильных нуклидов, встречающихся в природе, можно обратить внимание на их распределение по чётным и нечётным значениям Z{\displaystyle Z} и N{\displaystyle N}. Все ядра с нечётными значениями этих величин являются ядрами лёгких нуклидов 12H{\displaystyle {}_{1}^{2}{\textrm {H}}}, 36Li{\displaystyle {}_{3}^{6}{\textrm {Li}}}, 510B{\displaystyle {}_{5}^{10}{\textrm {B}}}, 714N{\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}}. Среди изобар с нечётными A, как правило, стабилен лишь один. В случае же чётных A{\displaystyle A} часто встречаются по два, три и более стабильных изобар, следовательно, наиболее стабильны чётно-чётные, наименее — нечётно-нечётные. Это явление свидетельствует о том, что как нейтроны, так и протоны, проявляют тенденцию группироваться парами с антипараллельными спинами, что приводит к нарушению плавности вышеописанной зависимости энергии связи от A{\displaystyle A}^[1].

Z	N=A-Z	A	Число нуклидов
Чётное	Чётное	Чётное	167
Чётное	Нечётное	Нечётное	55
Нечётное	Чётное	Нечётное	53
Нечётное	Нечётное	Чётное	4

Таким образом, чётность числа протонов или нейтронов создаёт некоторый запас устойчивости, который приводит к возможности существования нескольких стабильных нуклидов, различающихся соответственно по числу нейтронов для изотопов и по числу протонов для изотонов. Также чётность числа нейтронов в составе тяжёлых ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов^[2].

Ядерные силы — это силы, удерживающие нуклоны в ядре, представляющие собой большие силы притяжения, действующие только на малых расстояниях. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер (с помощью пи-мезонов). Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами^[2].

В отличие от свободных частиц, для которых энергия может принимать любые значения (так называемый непрерывный спектр), связанные частицы (то есть частицы, кинетическая энергия которых меньше абсолютного значения потенциальной), согласно квантовой механике, могут находиться в состояниях только с определёнными дискретными значениями энергий, так называемый дискретный спектр. Так как ядро — система связанных нуклонов, оно обладает дискретным спектром энергий. Обычно оно находится в наиболее низком энергетическом состоянии, называемым основным. Если передать ядру энергию, оно перейдёт в возбуждённое состояние.

Расположение энергетических уровней ядра в первом приближении:

D=ae−bE∗{\displaystyle D=ae^{-b{\sqrt {E^{*}}}}}, где:

D{\displaystyle D} — среднее расстояние между уровнями,

E∗{\displaystyle E^{*}} — энергия возбуждения ядра,

a{\displaystyle a} и b{\displaystyle b}