Научна консултация по ядрен синтез. Протони и неутрони: хаос вътре в материята От два протона и два неутрона

Актобе, 2014 г

Адрон.Клас от елементарни частици, участващи в силното взаимодействие. Адроните се състоят от кварки и се разделят на две групи: бариони (от три кварка) и мезони (от кварк и антикварк). Повечето от материята, която наблюдаваме, се състои от бариони: протони и нуклони, които са част от ядрата на атомите.

Активност на радиоактивен източник- отношението на общия брой разпадания на радиоактивни ядра в радиоактивен източник към времето на разпадане.

Алфа радиация- вид йонизиращо лъчение - поток от положително заредени частици (алфа-частици), излъчвани по време на радиоактивен разпад и ядрени реакции. Проникващата способност на алфа лъчението е ниска (блокира се от лист хартия). Изключително опасно е източниците на алфа радиация да попаднат в тялото чрез храната, въздуха или през увредена кожа.

Алфа разпад(или α-разпад) - спонтанно излъчване на алфа частици (ядра на хелиев атом) от атомни ядра

Алфа частица- частица, състояща се от два протона и два неутрона. Идентичен на ядрото на атома на хелий.

Унищожение- взаимодействието на елементарна частица и античастица, в резултат на което те изчезват, а енергията им се превръща в електромагнитно излъчване.

Анихилацията е реакцията на частица и античастица, които се трансформират в други частици при сблъсък.

Античастицата е частица, която има същите стойности на маса, спин, заряд и други физични свойства като нейната частица „близнак“, но се различава от нея в знаците на някои характеристики на взаимодействие (например знака на електрическия заряд) .

Античастиците са двойници на обикновени елементарни частици, които се различават от последните по знака на своя електрически заряд и по знаците на някои други характеристики. Частицата и античастицата имат еднакви маси, спинове и време на живот.

AC- атомна електроцентрала - промишлено предприятие за производство на електрическа или топлинна енергия с помощта на един или повече ядрени енергийни реактори и набор от необходими системи, устройства, оборудване и съоръжения с необходимия персонал,

атом- най-малката частица от химичен елемент, която запазва свойствата си. Състои се от ядро ​​с протони и неутрони и електрони, движещи се около ядрото. Броят на електроните в един атом е равен на броя на протоните в ядрото.

Атомна маса- масата на атом на химичен елемент, изразена в атомни единици за маса (amu). За 1 аму Приема се 1/12 от масата на въглеродния изотоп с атомна маса 12. 1 amu = 1,6605655·10-27 kg. Атомната маса е сумата от масите на всички протони и неутрони в даден атом.

Атомно ядро- положително заредената централна част на атома, около която се въртят електрони и в която е концентрирана почти цялата маса на атома. Състои се от протони и неутрони. Ядреният заряд се определя от общия заряд на протоните в ядрото и съответства на атомния номер на химичния елемент в периодичната таблица на елементите.

Бариони– частици, състоящи се от три кварка, които определят техните квантови числа. Всички бариони, с изключение на протона, са нестабилни.

Пул за съхранение- инсталация, разположена на площадката на реактора на атомна електроцентрала за временно съхраняване на отработено ядрено гориво под слой вода с цел намаляване на радиоактивността и топлината от разпад.

Бекерел(Bq) е SI единица за активност на радиоактивно вещество. 1 Bq се равнява на активността на радиоактивно вещество, в което едно разпадане се случва за 1 s.
β γ лъчи- поток от бързи електрони.
α-лъчи- поток от хелиеви ядра.
γ-лъчи- електромагнитни вълни с много къса дължина на вълната (L ~ 10 -10 m).

Бета радиация- вид йонизиращо лъчение - поток от електрони или позитрони, излъчвани по време на ядрени реакции или радиоактивен разпад. Бета радиацията може да проникне в тъканите на тялото на дълбочина до 1 см. Тя представлява опасност за хората както от гледна точка на външно, така и от вътрешно облъчване.

Бета частици– електрони и позитрони, излъчени от атомни ядра, както и свободен неутрон по време на бета-разпад. По време на електронния бета-разпад на атомно ядро ​​се излъчва електрон e - (както и антинеутрино), по време на позитронно разпадане на ядрата се излъчва позитрон e + (и неутрино ν). Разпадането на свободен неутрон (n) произвежда протон (p), електрон и антинеутрино: n → p + e - + .
Електрон и позитрон– стабилни частици със спин J = 1/2 (вътрешен механичен ъглов момент), принадлежащи към класа на лептоните. Позитронът е античастица на електрона.

Биологична защита- радиационна бариера, създадена около активната зона на реактора и неговата охладителна система, за предотвратяване на вредното въздействие на неутронно и гама лъчение върху персонала, обществеността и околната среда. В атомната електроцентрала основният материал за биологична защита е бетонът. При реакторите с висока мощност дебелината на бетонния защитен екран достига няколко метра.

Бозони(от името на индийския физик С. Бозе) – елементарни частици, атомни ядра, атоми с нулев или цял спин (0ћ, 1ћ, 2ћ, …).

Бързи неутрони- неутрони, чиято кинетична енергия е по-висока от определена стойност. Тази стойност може да варира в широк диапазон и зависи от приложението (физика на реактора, защита или дозиметрия). Във физиката на реактора тази стойност най-често се избира да бъде 0,1 MeV.

Камера на Уилсън– траков детектор на елементарни заредени частици, при който следата (следата) на частица се образува от верига от малки капчици течност по траекторията на нейното движение.

Гама радиация- вид йонизиращо лъчение - електромагнитно лъчение, излъчвано по време на радиоактивен разпад и ядрени реакции, разпространяващо се със скоростта на светлината и притежаващо висока енергия и проникваща способност. Ефективно отслабва при взаимодействие с тежки елементи, като олово. За намаляване на гама-лъчението в ядрените реактори на атомните електроцентрали се използва дебелостенен защитен екран, изработен от бетон.

Закон за радиоактивното разпадане- законът, по който се намира броят на неразпадналите се атоми: N = N 0 2 -t/T.

Деутерий- „тежък“ изотоп на водород с атомна маса 2.

Детектор за йонизиращи лъчения- чувствителен елемент на измервателен уред, предназначен за регистриране на йонизиращи лъчения. Действието му се основава на явления, възникващи при преминаване на радиация през материята.

Доза радиация- в радиационната безопасност - мярка за въздействието на йонизиращото лъчение върху биологичен обект, по-специално човек. Има експозиционни, погълнати и еквивалентни дози.

Излишна маса(или масов дефект) – изразена в енергийни единици, разликата между масата на неутрален атом и произведението на броя нуклони (общия брой протони и неутрони) в ядрото на този атом на единица атомна маса

Изотопи- нуклиди, които имат еднакъв атомен номер, но различни атомни маси (например уран-235 и уран-238).

Изотопи– атомни ядра с еднакъв брой протони Z, различен брой неутрони N и следователно различно масово число A = Z + N. Пример: изотопи на калций Ca (Z = 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca.

Радиоактивните изотопи са изотопни ядра, които претърпяват радиоактивен разпад. Повечето известни изотопи са радиоактивни (~3500).

Камера на Уилсън- устройство за наблюдение на следи от микрочастици, движещи се с висока скорост (електрони, протони, алфа частици и др.). Създаден през 1912 г. от английския физик Уилсън.

Кварк е елементарна заредена частица, участваща в силното взаимодействие. Протоните и неутроните се състоят от три кварка.

Космическа радиация- фоново йонизиращо лъчение, което се състои от първично лъчение, идващо от космоса, и вторично лъчение в резултат на взаимодействието на първичното лъчение с атмосферата.

Космическите лъчи са потоци от заредени елементарни частици с висока енергия (главно протони, алфа-частици и електрони), разпространяващи се в междупланетното и междузвездното пространство и непрекъснато „бомбардиращи“ Земята.

Скорост на възпроизвеждане- най-важната характеристика на верижната реакция на делене, показваща съотношението на броя на неутроните от дадено поколение към броя на неутроните от предишното поколение в безкрайна среда. Често се използва и друга дефиниция на коефициента на умножение - съотношението на скоростите на генериране и поглъщане на неутрони.

Критична маса- най-малката маса гориво, в която може да възникне самоподдържаща се ядрена верижна реакция на делене, като се има предвид определен дизайн и състав на активната зона (зависи от много фактори, например: състав на горивото, модератор, форма на сърцевината и др.).

Кюри (Ci)- извънсистемна единица активност, първоначално активността на 1 g изотоп радий-226. 1Ci=3,7·1010 Bq.

Критична маса(tk) - най-малката маса ядрено гориво (уран, плутоний), при което възниква ядрена верижна реакция.

Кюри(Ci) е извънсистемна единица за активност на радиоактивно вещество. 1 Ci = 3,7 10 10 Bq.

лептони(от гръцки leptos - лек, малък) - група точкови частици със спин 1/2ћ, които не участват в силни взаимодействия. Размер на лептон (ако съществува)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:

• електрон (e –) и електронно неутрино (ν e),
• мюон (μ –) и мюон неутрино (ν μ),
• тау лептон (τ –) и тау неутрино (ν τ),

Магическите ядра са атомни ядра, съдържащи така наречените магически числа на протони или неутрони.

З
н

Тези ядра имат енергия на свързване, по-голяма от съседните ядра. Те имат по-висока енергия на разделяне на нуклоните и са по-често срещани в природата.

Масово число(A) - общият брой нуклони (протони и неутрони) в атомното ядро; една от основните характеристики на атомното ядро.

Мощност на дозата- съотношението на увеличението на дозата на облъчване за интервал от време към този интервал (например: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, μrem/h, μSv/h).

Неутрон- неутрална елементарна частица с маса, близка до масата на протона. Заедно с протоните неутроните образуват атомното ядро. В свободно състояние е нестабилен и се разпада на протон и електрон.

Нуклид- вид атом с определен брой протони и неутрони в ядрото, характеризиращ се с атомна маса и атомен (порядков) номер.

Обогатяване (чрез изотоп):

2. Процес, който води до увеличаване на съдържанието на определен изотоп в смес от изотопи.

Обогатяване на уранова руда- набор от процеси за първична обработка на минерални уран-съдържащи суровини, с цел отделяне на урана от други минерали, които съставляват рудата. В този случай няма промяна в състава на минералите, а само механичното им разделяне за получаване на руден концентрат.

Обогатено ядрено гориво- ядрено гориво, в което съдържанието на делящи се нуклиди е по-голямо от това в изходните природни суровини.

Обогатен уран- уран, в който съдържанието на изотопа уран-235 е по-високо, отколкото в естествения уран.

Половин живот(T) е интервалът от време, през който половината от първоначалния брой ядра ще се разпадне.

Половин живот– времето, през което половината от радиоактивните ядра се разпадат. Тази величина, означена като T 1/2, е константа за дадено радиоактивно ядро ​​(изотоп). Стойността T 1/2 ясно характеризира скоростта на разпадане на радиоактивните ядра и е еквивалентна на две други константи, характеризиращи тази скорост: средното време на живот на радиоактивно ядро ​​τ и вероятността за разпадане на радиоактивно ядро ​​за единица време λ.

Погълната доза радиация- отношението на погълнатата енергия Е на йонизиращото лъчение към масата на облъченото от него вещество.

Постулатите на Бор- основни допускания, въведени без доказателство от Н. Бор, които формират основата на квантовата теория на атома.

Правило за отместване:по време на a-разпадане ядрото губи своя положителен заряд 2e и масата му намалява с приблизително 4 amu; По време на b-разпада зарядът на ядрото се увеличава с 1e, но масата не се променя.

Време на полуразпад на радионуклид- времето, през което броят на ядрата на даден радионуклид в резултат на спонтанен разпад ще намалее наполовина.

Позитрон- античастица на електрон с маса, равна на масата на електрона, но положителен електрически заряд.

Протон- стабилна положително заредена елементарна частица със заряд 1,61·10-19 С и маса 1,66·10-27 кг. Протонът образува ядрото на "лекия" изотоп на водородния атом (протиум). Броят на протоните в ядрото на всеки елемент определя заряда на ядрото и атомния номер на този елемент.

Радиоактивност- спонтанно превръщане (радиоактивен разпад) на нестабилен нуклид в друг нуклид, придружено от излъчване на йонизиращо лъчение.

Радиоактивност- способността на някои атомни ядра спонтанно да се превръщат в други ядра, излъчвайки различни частици.

Радиоактивно разпадане- спонтанна ядрена трансформация.

Размножителен реактор- бърз реактор, в който коефициентът на преобразуване надвишава 1 и се извършва разширено възпроизвеждане на ядрено гориво.

Гайгеров брояч(или брояч на Гайгер-Мюлер) е пълен с газ брояч на заредени елементарни частици, електрическият сигнал от който се усилва поради вторичната йонизация на газовия обем на брояча и не зависи от енергията, оставена от частицата в този сила на звука.

Горивен елемент- горивен елемент. Основният структурен елемент на сърцевината на хетерогенен реактор, под формата на който се зарежда гориво в него. В горивните елементи възниква делене на тежки ядра U-235, Pu-239 или U-233, придружено от освобождаване на енергия и топлинната енергия се прехвърля от тях към охлаждащата течност. Горивните елементи се състоят от горивна сърцевина, обвивка и крайни части. Видът на горивния елемент се определя от вида и предназначението на реактора и параметрите на топлоносителя. Горивният елемент трябва да осигурява надеждно отвеждане на топлината от горивото към охлаждащата течност.

Работно тяло- среда (охлаждаща течност), използвана за преобразуване на топлинна енергия в механична енергия.

Тъмна материя− невидимо (неизлъчващо и непоглъщащо) вещество. Неговото съществуване определено се доказва от гравитационни ефекти. Данните от наблюдения също предполагат, че тази тъмна материя-енергия е разделена на две части:

• първата е така наречената тъмна материя с плътност
  W dm = 0,20–0,25, – неизвестни, слабо взаимодействащи масивни частици (не бариони). Това могат да бъдат например стабилни неутрални частици с маси от 10 GeV/c2 до 10 TeV/c2, предвидени от суперсиметрични модели, включително хипотетични тежки неутрино;

втората е така наречената тъмна енергия с плътност
W Λ = 0,70–0,75), което се интерпретира като вакуум. Има се предвид специална форма на материята – физически вакуум, т.е. най-ниското енергийно състояние на физическите полета, които проникват в пространството.

Термоядрени реакции− реакции на синтез (синтез) на леки ядра, протичащи при високи температури. Тези реакции обикновено включват освобождаване на енергия, тъй като в по-тежкото ядро, образувано в резултат на сливането, нуклоните са по-силно свързани, т.е. имат средно по-висока енергия на свързване, отколкото в първоначалните сливащи се ядра. Излишната обща енергия на свързване на нуклоните се освобождава под формата на кинетична енергия на продуктите на реакцията. Наименованието „термоядрени реакции“ отразява факта, че тези реакции протичат при високи температури ( > 10 7 –10 8 K), тъй като за синтез леките ядра трябва да се сближат на разстояния, равни на радиуса на действие на ядрените сили на привличане, т.е. до разстояния ≈10 -13 cm.

Трансуранови елементи− химични елементи със заряд (брой протони), по-голям от този на урана, т.е. Z>92.

Верижна реакция на делене- самоподдържаща се реакция на делене на тежки ядра, при която непрекъснато се произвеждат неутрони, разделящи все повече и повече нови ядра.

Верижна реакция на делене- последователността на реакцията на делене на ядрата на тежки атоми, когато те взаимодействат с неутрони или други елементарни частици, в резултат на което се образуват по-леки ядра, нови неутрони или други елементарни частици и се освобождава ядрена енергия.

Верижна ядрена реакция- поредица от ядрени реакции, възбудени от частици (например неутрони), родени във всяко реакционно събитие. В зависимост от средния брой реакции, следващи една предходна - по-малък, равен или по-голям от единица - реакцията се нарича затихваща, самоподдържаща се или нарастваща.

Верижни ядрени реакции– самоподдържащи се ядрени реакции, в които последователно участва верига от ядра. Това се случва, когато един от продуктите на ядрена реакция реагира с друго ядро, продуктът на втора реакция реагира със следващото ядро ​​и т.н. Верига от ядрени реакции следва една след друга. Най-известният пример за такава реакция е ядрената реакция на делене, причинена от неутрон

Екзотермични реакции- ядрени реакции, протичащи с освобождаване на енергия.

Елементарни частици- най-малките частици от физическата материя. Представите за елементарните частици отразяват етапа в познанието за структурата на материята, постигнат от съвременната наука. Наред с античастиците са открити около 300 елементарни частици. Терминът "елементарни частици" е условен, тъй като много елементарни частици имат сложна вътрешна структура.

Елементарни частици– материални обекти, които не могат да бъдат разделени на съставни части. В съответствие с това определение молекулите, атомите и атомните ядра, които могат да бъдат разделени на съставни части, не могат да бъдат класифицирани като елементарни частици - атомът се разделя на ядро ​​и орбитални електрони, ядрото на нуклони.

Изход на енергия от ядрена реакция- разликата между енергиите на покой на ядрата и частиците преди и след реакцията.

Ендотермични реакции- ядрени реакции, протичащи с поглъщане на енергия.

Енергия на свързване на атомно ядро(E St) - характеризира интензивността на взаимодействието на нуклоните в ядрото и е равна на максималната енергия, която трябва да се изразходва, за да се раздели ядрото на отделни невзаимодействащи нуклони, без да им се предава кинетична енергия.

Ефект на Мьосб uaera - феноменът на резонансно поглъщане на гама-кванти от атомни ядра без загуба на енергия поради връщане на импулса.

Ядрен (планетарен) модел на атома- в центъра има положително заредено ядро ​​(диаметър около 10 -15 m); около ядрото, подобно на планетите от Слънчевата система, електроните се движат по кръгови орбити.

Ядрени модели– опростени теоретични описания на атомните ядра, базирани на представянето на ядрото като обект с предварително известни характерни свойства.

Реакция на ядрено делене- реакция на делене на атомни ядра на тежки елементи под въздействието на неутрони.

Ядрена реакция- реакцията на трансформация на атомните ядра в резултат на взаимодействие помежду си или с някакви елементарни частици.

Ядрената енергия- това е енергията, освободена в резултат на вътрешното преструктуриране на атомните ядра. Ядрената енергия може да бъде получена от ядрени реакции или радиоактивен разпад на ядра. Основните източници на ядрена енергия са реакциите на делене на тежки ядра и синтез (комбинация) на леки ядра. Последният процес се нарича още термоядрени реакции.

Ядрени сили- сили, действащи между нуклоните в атомните ядра и определящи структурата и свойствата на ядрата. Те са с малък обсег, обхватът им е 10 -15 m.

Ядрен реактор- устройство, в което се извършва контролирана верижна реакция на ядрено делене.

Самоподдържащата се верижна реакция на делене е верижна реакция в среда, за която коефициентът на умножение k >= 1.

Ядрена авария- ядрена авария е загуба на контрол върху верижната реакция в реактора или образуване на критична маса по време на презареждане, транспортиране и съхранение на горивни елементи. В резултат на ядрена авария, поради дисбаланс на генерираната и отнетата топлина, горивните пръти се повреждат с освобождаване на радиоактивни продукти на делене. В този случай потенциално е възможно опасно излагане на хора и замърсяване на околната среда. .

Ядрена безопасност- общ термин, който характеризира свойствата на ядрената инсталация при нормална експлоатация и в случай на авария да ограничава радиационното въздействие върху персонала, населението и околната среда до приемливи граници.

Ядрено делене- процес, придружен от разцепване на ядрото на тежък атом при взаимодействие с неутрон или друга елементарна частица, в резултат на което се образуват по-леки ядра, нови неутрони или други елементарни частици и се освобождава енергия.

Ядрен материал- всеки изходен материал, специален ядрен материал и понякога руди и рудни отпадъци.

Ядрена трансформация- превръщане на един нуклид в друг.

Ядрен реактор- устройство, в което протича контролирана ядрена верижна реакция. Ядрените реактори се класифицират по предназначение, неутронна енергия, тип охлаждаща течност и модератор, структура на активната зона, дизайн и други характерни характеристики.

Ядрена реакция- трансформация на атомни ядра, причинена от тяхното взаимодействие с елементарни частици или помежду си и придружена от промяна в масата, заряда или енергийното състояние на ядрата.

Ядрено гориво- материал, съдържащ делящи се нуклиди, който, поставен в ядрен реактор, позволява възникването на ядрена верижна реакция. Има много висока енергийна интензивност (при пълното делене на 1 kg U-235 се отделя енергия, равна на J, докато при изгарянето на 1 kg органично гориво се освобождава енергия от порядъка на (3-5) J, в зависимост от вида на горивото).

Ядрен горивен цикъл- набор от мерки за осигуряване на функционирането на ядрени реактори, извършвани в система от предприятия, свързани помежду си с потока от ядрен материал и включващи уранови мини, инсталации за преработка на уранова руда, преобразуване на уран, обогатяване и производство на гориво, ядрени реактори, отработено гориво съоръжения за съхранение, инсталации за преработка на отработено гориво, горива и свързани междинни съоръжения за съхранение и съоръжения за погребване на радиоактивни отпадъци

Ядрена инсталация- всяко съоръжение, в което се генерират, обработват или обработват радиоактивни или делящи се материали в такива количества, че е необходимо да се вземат предвид проблемите на ядрената безопасност.

Ядрената енергия- вътрешна енергия на атомните ядра, освободена по време на ядрен делене или ядрени реакции.

Ядрен енергиен реактор- ядрен реактор, чиято основна цел е генериране на енергия.

Ядрен реактор- ядрен реактор е устройство, предназначено да организира контролирана самоподдържаща се верижна реакция на делене - последователност от реакции на ядрено делене, при които се освобождават свободни неутрони, необходими за деленето на нови ядра.

Ядрен реактор с бързи неутрони- реакторите се различават значително в спектъра на неутроните - разпределението на неутроните по енергия и, следователно, в спектъра на абсорбираните (причиняващи ядрено делене) неутрони. Ако ядрото не съдържа леки ядра, специално предназначени за модериране в резултат на еластично разсейване, тогава почти цялото модериране се дължи на нееластично разсейване на неутрони от тежки и средномасови ядра. В този случай повечето деления се причиняват от неутрони с енергия от порядъка на десетки и стотици keV. Такива реактори се наричат ​​реактори на бързи неутрони.

Ядрен реактор с топлинни неутрони- реактор, чиято сърцевина съдържа такова количество модератор - материал, предназначен да намалява енергията на неутроните, без да ги абсорбира значително - че повечето деления се причиняват от неутрони с енергия под 1 eV.

Ядрени сили- сили, които задържат нуклони (протони и неутрони) в ядрото.

Ядрените сили са кратко действие . Те се появяват само при много малки разстояния между нуклоните в ядрото от порядъка на 10 -15 м. Дължината (1,5 - 2,2) 10 -15 се нарича диапазон на ядрени сили .

Ядрените сили откриват такса независимост , т.е. привличането между два нуклона е еднакво независимо от зарядното състояние на нуклоните - протон или неутрон.

Ядрените сили имат свойство на насищане , което се проявява във факта, че един нуклон в ядрото взаимодейства само с ограничен брой съседни нуклони, които са най-близо до него. Почти пълно насищане на ядрените сили се постига в α-частицата, която е много стабилна формация.

Ядрени сили зависят от ориентацията на спиновете на взаимодействащите нуклони . Това се потвърждава от различното естество на разсейването на неутрони от орто- и водородни парни молекули.

Ядрени сили не са централни сили .

• Превод

В центъра на всеки атом е ядрото, малка колекция от частици, наречени протони и неутрони. В тази статия ще изследваме природата на протоните и неутроните, които се състоят от още по-малки частици – кварки, глуони и антикварки. (Глуоните, подобно на фотоните, са свои собствени античастици.) Кварките и глуоните, доколкото знаем, могат да бъдат наистина елементарни (неделими и да не се състоят от нещо по-малко по размер). Но за тях по-късно.

Изненадващо, протоните и неутроните имат почти еднаква маса - с точност до процент:

• 0,93827 GeV/c 2 за протона,
• 0,93957 GeV/c 2 за неутрон.

Това е ключът към природата им – те всъщност много си приличат. Да, има една очевидна разлика между тях: протонът има положителен електрически заряд, докато неутронът няма заряд (неутрален е, откъдето идва и името му). Съответно електрическите сили действат върху първия, но не и върху втория. На пръв поглед това разграничение изглежда много важно! Но всъщност не е така. Във всички други смисъли протонът и неутронът са почти близнаци. Еднакви са не само масите им, но и вътрешната им структура.

Тъй като са толкова сходни и тъй като тези частици изграждат ядра, протоните и неутроните често се наричат ​​нуклони.

Протоните са идентифицирани и описани около 1920 г. (въпреки че са открити по-рано; ядрото на водородния атом е само един протон), а неутроните са открити около 1933 г. Почти веднага се разбра, че протоните и неутроните са толкова сходни един с друг. Но фактът, че те имат измерим размер, сравним с размера на ядро ​​(около 100 000 пъти по-малък радиус от атом), не беше известен до 1954 г. Това, че те се състоят от кварки, антикварки и глуони, постепенно се разбира от средата на 60-те до средата на 70-те години. До края на 70-те и началото на 80-те години нашето разбиране за протоните, неутроните и това, от което са направени, до голяма степен се беше установило и оттогава остава непроменено.

Нуклоните са много по-трудни за описание от атомите или ядрата. Да не кажа, че атомите по принцип са прости, но поне може да се каже, без да се замисля, че един хелиев атом се състои от два електрона в орбита около малко хелиево ядро; а хелиевото ядро ​​е доста проста група от два неутрона и два протона. Но с нуклоните всичко не е толкова просто. Вече написах в статията „Какво е протон и какво има вътре в него?“, че атомът е като елегантен менует, а нуклонът е като диво парти.

Сложността на протона и неутрона изглежда е истинска и не произтича от непълно познаване на физиката. Имаме уравнения, използвани за описание на кварки, антикварки и глуони и силните ядрени взаимодействия, които възникват между тях. Тези уравнения се наричат ​​QCD от квантовата хромодинамика. Точността на уравненията може да бъде тествана по различни начини, включително измерване на броя на частиците, произведени в Големия адронен колайдер. Чрез включване на QCD уравненията в компютър и извършване на изчисления върху свойствата на протоните и неутроните и други подобни частици (общо наричани „адрони“), ние получаваме прогнози за свойствата на тези частици, които се доближават до наблюденията, направени в реалния свят. Следователно имаме основание да вярваме, че уравненията на QCD не лъжат и че познанията ни за протона и неутрона се основават на правилните уравнения. Но само наличието на правилните уравнения не е достатъчно, защото:

• Простите уравнения могат да имат много сложни решения,
• Понякога е невъзможно да се опишат сложни решения по прост начин.

Доколкото можем да кажем, точно такъв е случаят с нуклоните: те са сложни решения на относително прости уравнения на QCD и не е възможно да се опишат с няколко думи или снимки.

Поради присъщата сложност на нуклоните, вие, читателят, ще трябва да направите избор: колко искате да знаете за описаната сложност? Колкото и далеч да стигнете, най-вероятно няма да ви донесе удовлетворение: колкото повече научавате, толкова по-ясна ще става темата, но окончателният отговор ще остане същият - протонът и неутронът са много сложни. Мога да ви предложа три нива на разбиране, с нарастващи детайли; можете да спрете след всяко ниво и да преминете към други теми или можете да се потопите до последната. Всяко ниво повдига въпроси, на които мога да отговоря частично в следващото, но новите отговори повдигат нови въпроси. В крайна сметка - както правя в професионални дискусии с колеги и напреднали студенти - мога само да ви насоча към данни, получени в реални експерименти, към различни влиятелни теоретични аргументи и компютърни симулации.

Първо ниво на разбиране

От какво са направени протоните и неутроните?

Ориз. 1: прекалено опростена версия на протони, състоящи се само от два кварка нагоре и един кварк надолу, и неутрони, състоящи се само от два кварка надолу и един кварк нагоре

За да се опростят нещата, много книги, статии и уебсайтове показват, че протоните се състоят от три кварка (два кварка нагоре и един кварк надолу) и рисуват нещо като Фиг. 1. Неутронът е същият, само че се състои от един горен и два низходящи кварка. Това просто изображение илюстрира това, в което са вярвали някои учени, най-вече през 60-те години. Но скоро стана ясно, че тази гледна точка е твърде опростена до степен, че вече не е правилна.

От по-сложни източници на информация ще научите, че протоните са съставени от три кварка (два нагоре и един надолу), държани заедно от глуони - и може да се появи картина, подобна на Фиг. 1. 2, където глуоните са нарисувани като пружини или струни, държащи кварки. Неутроните са същите, само с един горен кварк и два низходящи кварка.

Ориз. 2: подобрение фиг. 1 поради акцента върху важната роля на силната ядрена сила, която задържа кварките в протона

Това не е толкова лош начин да се опишат нуклоните, тъй като подчертава важната роля на силната ядрена сила, която задържа кварките в протона за сметка на глуоните (точно както фотонът, частицата, която изгражда светлината, се свързва с електромагнитната сила). Но това също е объркващо, защото всъщност не обяснява какво представляват глуоните или какво правят.

Има причини да продължа напред и да опиша нещата по начина, по който го направих: протонът се състои от три кварка (два нагоре и един надолу), куп глуони и планина от двойки кварк-антикварк (предимно нагоре и надолу кварки, но има и няколко странни) . Всички те летят напред-назад с много високи скорости (доближаващи скоростта на светлината); целият този набор се държи заедно от силната ядрена сила. Демонстрирах това на фиг. 3. Неутроните отново са същите, но с един горен и два низходящи кварка; Кваркът, който промени самоличността си, е обозначен със стрелка.

Ориз. 3: по-реалистично, макар и все още несъвършено представяне на протони и неутрони

Тези кварки, антикварки и глуони не само се втурват напред-назад диво, но и се сблъскват един с друг и се превръщат един в друг чрез процеси като анихилация на частици (при които кварк и антикварк от същия тип се превръщат в два глуона, или обратно) или абсорбция и емисия на глуон (при което кварк и глуон могат да се сблъскат и да произведат кварк и два глуона, или обратното).

Какво е общото между тези три описания:

• Два кварка нагоре и кварк надолу (плюс нещо друго) за протон.
• Неутронът има един горен кварк и два низходящи кварка (плюс нещо друго).
• „Нещо друго“ на неутроните съвпада с „нещо друго“ на протоните. Тоест нуклоните имат същото „нещо друго“.
• Малката разлика в масата между протона и неутрона се появява поради разликата в масите на низходящия и възходящия кварк.

И защото:

• за топ кварките електрическият заряд е равен на 2/3 e (където e е зарядът на протона, -e е зарядът на електрона),
• дънните кварки имат заряд от -1/3e,
• глуоните имат заряд 0,
• всеки кварк и съответният му антикварк имат общ заряд от 0 (например, антидаунен кварк има заряд от +1/3e, така че един кварк и един кварк ще имат заряд от –1/3 e +1/3 e = 0),

Всяка цифра приписва електрическия заряд на протона на два горни кварка и един низходящ кварк, като „нещо друго“ добавя към заряда 0. По същия начин неутронът има нулев заряд благодарение на един горен и два низходящи кварка:

• общият електрически заряд на протона е 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• общият електрически заряд на неутрона е 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

Тези описания се различават по следните начини:

• колко „нещо друго“ има вътре в нуклона,
• какво прави там
• откъде идва масата и масовата енергия (E = mc 2, енергията, присъстваща там дори когато частицата е в покой) на нуклона.

Тъй като по-голямата част от масата на атома и следователно на цялата обикновена материя се съдържа в протони и неутрони, последната точка е изключително важна за правилното разбиране на нашата природа.

Ориз. 1 казва, че кварките са по същество една трета от нуклон - подобно на протон или неутрон е една четвърт от хелиево ядро ​​или 1/12 от въглеродно ядро. Ако тази картина беше вярна, кварките в нуклона щяха да се движат сравнително бавно (със скорости, много по-ниски от светлината) с относително слаби взаимодействия, действащи между тях (макар и с някаква мощна сила, която ги държи на място). Тогава масата на кварка, нагоре и надолу, ще бъде от порядъка на 0,3 GeV/c 2 , около една трета от масата на протона. Но този прост образ и идеите, които налага, са просто погрешни.

Ориз. 3. дава напълно различна представа за протона, като котел от частици, които се движат в него със скорост, близка до светлинната. Тези частици се сблъскват една с друга и при тези сблъсъци някои от тях се унищожават и на тяхно място се създават други. Глуоните нямат маса, масите на горните кварки са от порядъка на 0,004 GeV/c 2 , а масите на долните кварки са от порядъка на 0,008 GeV/c 2 – стотици пъти по-малко от протона. Откъде идва енергията на протонната маса е сложен въпрос: част от нея идва от енергията на масата на кварките и антикварките, част от енергията на движение на кварките, антикварките и глуоните и част (вероятно положителна, може би отрицателна ) от енергията, съхранена в силното ядрено взаимодействие, което държи кварки, антикварки и глуони заедно.

В известен смисъл Фиг. 2 опита за разрешаване на разликата между Фиг. 1 и фиг. 3. Опростява фигурата. 3, премахвайки много двойки кварк-антикварк, които по принцип могат да се нарекат ефемерни, тъй като постоянно се появяват и изчезват и не са необходими. Но създава впечатлението, че глуоните в нуклоните са пряка част от силната ядрена сила, която държи протоните заедно. И не обяснява откъде идва масата на протона.

На фиг. 1 има още един недостатък, в допълнение към тесните рамки на протона и неутрона. Той не обяснява някои свойства на други адрони, например пион и ро мезон. Фиг. има същите проблеми. 2.

Тези ограничения доведоха до факта, че давам на моите ученици и на моя уебсайт снимката от фиг. 3. Но искам да ви предупредя, че има и много ограничения, които ще обсъдя по-късно.

Струва си да се отбележи, че изключителната сложност на структурата, загатната от фиг. 3 би се очаквало от обект, държан заедно от сила, толкова мощна, колкото силната ядрена сила. И още нещо: три кварка (два нагоре и един надолу за протон), които не са част от група двойки кварк-антикварк, често се наричат ​​„валентни кварки“, а двойките кварк-антикварк се наричат ​​„море от кваркови двойки”. Такъв език е технически удобен в много случаи. Но създава погрешното впечатление, че ако можете да погледнете вътре в протон и да погледнете конкретен кварк, веднага бихте могли да разберете дали е част от морето или валентност. Това не може да стане, просто няма такъв начин.

Маса на протон и маса на неутрон

Тъй като масите на протона и неутрона са толкова сходни и тъй като протонът и неутронът се различават само по замяната на горния кварк с низходящия кварк, изглежда вероятно техните маси да са предоставени по един и същи начин, да идват от един и същ източник и тяхната разлика се състои в малката разлика между горните и долните кварки. Но трите фигури по-горе показват наличието на три много различни гледни точки за произхода на протонната маса.

Ориз. 1 казва, че кварките нагоре и надолу просто съставляват 1/3 от масата на протона и неутрона: от порядъка на 0,313 GeV/c 2 или поради енергията, необходима за задържане на кварките в протона. И тъй като разликата между масите на протона и неутрона е част от процента, разликата между масите на кварка нагоре и надолу също трябва да бъде част от процента.

Ориз. 2 е по-малко ясен. Каква част от масата на протона се дължи на глуони? Но по принцип от фигурата следва, че по-голямата част от протонната маса все още идва от масата на кварките, както на фиг. 1.

Ориз. 3 отразява по-нюансиран подход към това как действително възниква масата на протона (както можем да тестваме директно чрез компютърни изчисления на протона и индиректно, използвайки други математически методи). Тя е много различна от идеите, представени на фиг. 1 и 2, и се оказва, че не е толкова просто.

За да разберете как работи това, трябва да мислите не от гледна точка на масата на протона m, а от гледна точка на неговата маса енергия E = mc 2, енергията, свързана с масата. Концептуално правилният въпрос не е „откъде идва масата на протона m“, след което можете да изчислите E, като умножите m по c 2 , а обратното: „откъде идва енергията на масата на протона E, ”, след което можете да изчислите масата m, като разделите E на c 2 .

Полезно е да се класифицират приносите към енергията на протонната маса в три групи:

А) Масова енергия (енергия на покой) на съдържащите се в нея кварки и антикварки (глуони, безмасови частици, не дават никакъв принос).
Б) Енергия на движение (кинетична енергия) на кварки, антикварки и глуони.
В) Енергия на взаимодействие (енергия на свързване или потенциална енергия), съхранявана в силното ядрено взаимодействие (по-точно в глуонните полета), задържащо протона.

Ориз. 3 казва, че частиците вътре в протона се движат с висока скорост и че той е пълен с безмасови глуони, така че приносът на B) е по-голям от A). Обикновено в повечето физически системи B) и C) се оказват сравними, докато C) често е отрицателно. Така че масовата енергия на протона (и неутрона) идва главно от комбинацията от B) и C), като A) допринася с малка част. Следователно масите на протона и неутрона се появяват главно не поради масите на частиците, които съдържат, а поради енергиите на движение на тези частици и енергията на тяхното взаимодействие, свързана с глуонните полета, които генерират силите, които държат протон. В повечето други системи, познати ни, енергийният баланс е разпределен по различен начин. Например, в атомите и в Слънчевата система A) доминира, а B) и C) са много по-малки и сравними по величина.

За да обобщим, отбелязваме, че:

• Ориз. 1 приема, че енергията на протонната маса идва от принос A).
• Ориз. 2 предполага, че и двата приноса A) и B) са важни, като B) има малък принос.
• Ориз. 3 предполага, че B) и C) са важни, а приносът на A) се оказва незначителен.

Знаем, че фиг. 3. Можем да проведем компютърни симулации, за да го тестваме, и което е по-важно, благодарение на различни убедителни теоретични аргументи, ние знаем, че ако масите на кварка нагоре и надолу бяха нула (и всичко останало остана както е), масата на протона щеше да бъде практически нула щеше да се промени. Така че, очевидно, масите на кварките не могат да имат важен принос към масата на протона.

Ако фиг. 3 не лъже, масите на кварка и антикварка са много малки. Какви са всъщност? Масата на горния кварк (както и на антикварка) не надвишава 0,005 GeV/c 2, което е много по-малко от 0,313 GeV/c 2, което следва от фиг. 1. (Масата на възходящия кварк е трудна за измерване и варира поради фини ефекти, така че може да бъде много по-малка от 0,005 GeV/c2). Масата на долния кварк е приблизително 0,004 GeV/s 2 по-голяма от масата на горния кварк. Това означава, че масата на всеки кварк или антикварк не надвишава един процент от масата на протона.

Обърнете внимание, че това означава (противно на Фиг. 1), че съотношението на масата на долния кварк към масата на горния кварк не се доближава до единица! Масата на низходящия кварк е поне два пъти по-голяма от масата на горния кварк. Причината, че масите на неутрона и протона са толкова сходни, не е защото масите на горните и долните кварки са подобни, а защото масите на горните и долните кварки са много малки - и разликата между тях е малка, относителна към масите на протона и неутрона. Не забравяйте, че за да превърнете протон в неутрон, просто трябва да замените един от неговите кварки нагоре с кварк надолу (Фигура 3). Тази замяна е достатъчна, за да направи неутрона малко по-тежък от протона и да промени заряда му от +e на 0.

Между другото, фактът, че различните частици вътре в протона се сблъскват една с друга и постоянно се появяват и изчезват, не засяга нещата, които обсъждаме - енергията се запазва при всеки сблъсък. Масовата енергия и енергията на движение на кварките и глуоните могат да се променят, както и енергията на тяхното взаимодействие, но общата енергия на протона не се променя, въпреки че всичко вътре в него непрекъснато се променя. Така че масата на протона остава постоянна, въпреки неговия вътрешен вихър.

В този момент можете да спрете и да усвоите получената информация. невероятно! На практика цялата маса, съдържаща се в обикновената материя, идва от масата на нуклоните в атомите. И по-голямата част от тази маса идва от хаоса, присъщ на протона и неутрона - от енергията на движение на кварките, глуоните и антикварките в нуклоните и от енергията на силните ядрени взаимодействия, които държат нуклона в цялото му състояние. Да: нашата планета, нашите тела, нашият дъх са резултат от такъв тих и доскоро невъобразим хаос.

На първо място е необходимо да се разбере, че има четири отделни вида освободена енергия:

1) химическа енергия, която захранва нашите автомобили, както и повечето устройства на съвременната цивилизация;

2) енергия от ядрено делене, използвана за генериране на около 15% от електроенергията, която консумираме;

3) енергията на горещ ядрен синтез, която захранва слънцето и повечето звезди;

4) енергия на студен ядрен синтез, която се наблюдава от някои експериментатори в лабораторни изследвания и чието съществуване се отхвърля от повечето учени.

Количеството освободена ядрена енергия (топлина/lb гориво) и от трите типа е 10 милиона пъти по-голямо от това на химическата енергия. Как се различават тези видове енергия? За да се разбере този въпрос, са необходими известни познания по химия и физика.

Възползвайки се от предложенията на този онлайн магазин за стоки за бита, можете лесно да закупите всякакви стоки на разумни цени.

Природата ни е дала два вида стабилно заредени частици: протони и електрони. Протонът е тежка, обикновено много малка, положително заредена частица. Електронът обикновено е лек, голям, с размити граници и има отрицателен заряд. Положителните и отрицателните заряди се привличат, точно както северният полюс на магнита привлича южния полюс. Ако магнит със своя северен полюс се доближи до южния полюс на друг магнит, те ще се сблъскат. Сблъсъкът ще освободи малко количество енергия под формата на топлина, но то е твърде малко, за да бъде лесно измерено. За да разделите магнитите, ще трябва да свършите работа, тоест да изразходвате енергия. Това е почти същото като вдигане на камък обратно нагоре по хълм.

Търкалянето на камък надолу по хълм произвежда малко количество топлина, но повдигането на камъка обратно изисква енергия.

По същия начин положителният заряд на протона се сблъсква с отрицателния заряд на електрона, те се „залепват“, освобождавайки енергия. Резултатът е водороден атом, обозначен с H. Водородният атом не е нищо повече от размит електрон, обгръщащ малък протон. Ако избиете електрон от водороден атом, получавате положително зареден H+ йон, който не е нищо повече от оригиналния протон. „Йон“ е името, приложено към атом или молекула, които са загубили или са получили един или повече електрони и следователно вече не са неутрални.

Както знаете, в природата има повече от един вид атоми. Имаме кислородни атоми, азотни атоми, железни атоми, хелиеви атоми и други. Как всички те са различни? Всички те имат различни типове ядра и всички ядра съдържат различен брой протони, което означава, че имат различни положителни заряди. Ядрото на хелия съдържа 2 протона, което означава, че има заряд плюс 2 и за да се неутрализира зарядът, са необходими 2 електрона. Когато 2 електрона се „залепят“ за него, се образува атом хелий. Кислородното ядро ​​съдържа 8 протона и има заряд 8. Когато 8 електрона се „прилепят“ към него, се образува кислороден атом. Азотният атом има 7 електрона, железният атом има около 26. Структурата на всички атоми обаче е приблизително еднаква: малко, положително заредено ядро, разположено в облак от дифузни електрони. Разликата в размера на ядрото и електроните е огромна.

Диаметърът на Слънцето е само 100 пъти по-голям от диаметъра на Земята. Диаметърът на електронния облак в атома е 100 000 пъти по-голям от диаметъра на ядрото. За да получите разликата в обемите, трябва да поставите тези числа на куб.

Сега сме готови да разберем какво е химическа енергия. Атомите, тъй като са електрически неутрални, всъщност могат да се свържат заедно, освобождавайки повече енергия. С други думи, те могат да се свързват в по-стабилни конфигурации. Електроните, които вече са в атома, се опитват да бъдат разпределени по такъв начин, че да стигнат възможно най-близо до ядрото, но поради дифузния си характер те изискват определено пространство. Въпреки това, когато се комбинират с електрони от друг атом, те обикновено образуват по-близка конфигурация, което им позволява да се придвижат по-близо до ядрата. Например, 2 водородни атома могат да се комбинират в по-компактна конфигурация, ако всеки водороден атом отдаде своя електрон на облак от 2 електрона, който се споделя между два протона.

Така те образуват група, състояща се от два електрона в един облак и два протона, отделени един от друг от пространството, но въпреки това разположени вътре в облака от електрони. В резултат на това възниква химическа реакция, която протича с отделянето на топлина: H + H => H G (Знакът „=>“ означава „превръща се“ или „става“). Конфигурацията на Н2 е водородна молекула; когато купувате цилиндър с водород, не получавате нищо повече от молекули Н. Освен това, чрез комбиниране, два Н 2 електрона и 8 електрона на О атом могат да образуват още по-компактна конфигурация - водна молекула Н О плюс топлина. В действителност водната молекула е единичен облак от електрони, вътре в който има три точкови ядра. Такава молекула е конфигурацията с минимална енергия.

Така, когато изгаряме нефт или въглища, преразпределяме електрони. Това води до образуването на по-стабилни конфигурации от точкови ядра вътре в електронните облаци и е съпроводено с отделяне на топлина. Това е природата на химическата енергия.

В предишната дискусия пропуснахме една точка. Защо ядрата в природата първоначално съдържат два или повече протона? Всеки протон има положителен заряд и когато разстоянието между положителните заряди е толкова малко, че е сравнимо с пространството около ядрото, те силно се отблъскват. Отблъскването на подобни заряди е подобно на отблъскването, което възниква между северните полюси на два магнита, когато те се опитват да бъдат свързани неправилно. Трябва да има нещо, което преодолява това отблъскване, в противен случай биха съществували само водородни атоми. За щастие виждаме, че това не е така.

Има друг вид сила, която действа върху протона. Това е ядрена енергия. Поради факта, че е много голям, частиците се държат здраво почти една върху друга. Освен това има втори вид тежка частица, която се различава от протона само по това, че няма нито положителен, нито отрицателен заряд. Те не се отблъскват от положителния заряд на протона. Тези частици се наричат ​​"неутрони", защото са електрически неутрални. Особеността е, че непромененото състояние на частиците е възможно само вътре в ядрото. След като частицата е извън ядрото, в рамките на около 10 минути тя се превръща в протон, електрон и много леко антинеутрино. Вътре в ядрото обаче може да остане непроменено толкова дълго, колкото желаете. Както и да е, неутронът и протонът са много силно привлечени един към друг. Приближавайки се на достатъчно разстояние, те се комбинират, образувайки много силна двойка, така нареченият дейтрон, който се обозначава с D+. Единичен деутерон се комбинира с един електрон, за да образува атом тежък водород или деутерий, обозначен като D.

Втората ядрена реакция възниква при взаимодействие на два дейтрона. Когато два дейтрона са принудени да взаимодействат, те се комбинират, за да образуват частица, която има двоен заряд. Група от два протона и два неутрона е дори по-стабилна от групата протон-неутрон в деутрона. Новата частица, неутрализирана от 2 електрона, се превръща в ядро ​​на хелиев атом, който се обозначава като He. В природата има и големи групи, които са ядрата на въглерод, азот, кислород, желязо и други атоми. Съществуването на всички тези групи е възможно благодарение на ядрената сила, която възниква между частиците, когато те взаимодействат една с друга или споделят общ обем пространство, равен на размера на ядрото.

Сега можем да разберем природата на обикновената ядрена енергия, която всъщност е енергия от ядрено делене. През ранната история на Вселената са се образували масивни звезди. Когато такива масивни звезди избухнаха, се образуваха много видове ядра и отново избухнаха в космоса. Планети и звезди, включително Слънцето, са се образували от тази маса.

Възможно е по време на експлозията да са се появили всички възможни стабилни конфигурации на протони и неутрони, както и такива практически стабилни групи като ядрото на урана. Всъщност има три разновидности на атомни ядра на уран: уран-234, уран-235 и уран-238. Тези „изотопи“ се различават по броя на неутроните, но всички те съдържат 92 протона. Ядрата на всеки тип уранов атом могат да се променят в по-нискоенергийни конфигурации, като избягат от хелиевите ядра, но този процес се случва толкова рядко, че земният уран запазва свойствата си за около 4 милиарда години.

Има обаче и друг начин да се наруши конфигурацията на урановото ядро. Като цяло, групите от протони и неутрони са най-стабилни, ако съдържат около 60 двойки протон-неутрон. Броят на такива двойки, съдържащи се в ядрото на урана, е три пъти по-голям от тази цифра. В резултат на това той има тенденция да се раздели на две части, освобождавайки голямо количество топлина. Природата обаче не позволява да се раздели. За да направи това, първо трябва да премине към по-висока енергийна конфигурация. Въпреки това, един вид уран - уран-235, обозначен като 235 U - получава необходимата енергия чрез улавяне на неутрон. След като по този начин получи необходимата енергия, ядрото се разпада, освобождавайки огромно количество енергия и отделяйки допълнителни неутрони. Тези допълнителни неутрони могат от своя страна да разделят ядрата на уран-235, което води до верижна реакция.

Точно това се случва в атомните електроцентрали, където топлината от ядрения разпад се използва за кипене на вода, създаване на пара и въртене на електрически генератор. (Недостатъкът на този метод е изпускането на радиоактивни отпадъци, които трябва да бъдат безопасно изхвърлени.)

Вече сме готови да разберем същността на горещия ядрен синтез. Както беше обсъдено в Урок 5, групите от протони и неутрони са най-стабилни, когато броят на протоните и неутроните приблизително съвпада с броя в ядрото на железния атом. Точно както уранът, който обикновено съдържа твърде много двойки неутрон-протон, леките елементи като водород, хелий, въглерод, азот и кислород съдържат твърде малко такива двойки.

Ако се създадат необходимите условия за взаимодействие на тези ядра, те ще се обединят в по-стабилни групи с отделянето на топлина. Така протича процесът на синтез. Среща се естествено в звезди като Слънцето. В природата сгъстеният водород става много горещ и след известно време настъпва реакция на синтез. Ако процесът първоначално се случи с дейтрони, които вече съдържат удвоени протони и неутрони, реакциите в звездите биха протекли сравнително лесно. Скоростта, с която всеки отделен тип атом се движи в облак от подобни атоми, зависи пряко от температурата. Колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е скоростта и толкова по-близо са атомите един до друг, което води до мигновен сблъсък.

В звездите температурата е достатъчно висока, за да могат електроните да избягат от ядрото. Така можем да кажем, че в действителност имаме работа със смесен облак от електрони и ядра. При много високи температури ядрата в момента на сблъсък са толкова близо едно до друго, че се активира ядрената сила, която ги привлича едно към друго. В резултат на това ядрата могат да се „залепят“ и да се превърнат в група с по-ниска енергия от протони и неутрони, освобождавайки топлина. Горещият ядрен синтез е опит за извършване на този процес в лабораторни условия, като се използват деутерий и троен водород (чието ядро ​​съдържа 1 протон и 2 неутрона) като газ. Горещият синтез изисква поддържане на температура на газа от стотици милиони градуси, което може да се постигне с помощта на магнитно поле, но само за 1-2 секунди. Надяваме се, че ще бъде възможно да се поддържа температурата на газа за по-дълъг период от време. Докато температурата е достатъчно висока, при сблъсък на ядра възниква ядрена реакция.

Основната форма, в която се освобождава енергия, е освобождаването на високоенергийни неутрони и протони. Протоните се превръщат в топлина много бързо. Неутронната енергия също може да се преобразува в топлина, но след това оборудването става радиоактивно. Дезактивирането на оборудването изглежда много трудно, така че горещият синтез не е подходящ като метод за комерсиално производство на енергия. Във всеки случай енергията от горещ синтез е мечта, която съществува от поне 50 години. Повечето учени обаче гледат на горещия синтез като на единствения начин за производство на термоядрена енергия. Процесът на горещ синтез произвежда по-малко радиация от деленето, той е екологично чист и практически неограничен източник на гориво на Земята (спрямо съвременното потребление на енергия, това би било достатъчно за много милиони години).

И накрая, стигаме до обяснението на студения синтез. Студеният синтез може да бъде прост и нерадиоактивен начин за освобождаване на термоядрена енергия. По време на студения синтез протоните и неутроните на едно ядро ​​взаимодействат с протоните и неутроните на друго по напълно различен начин.

В същото време ядрената сила им помага да формират по-стабилна конфигурация. За всяка ядрена реакция е необходимо реагиращите ядра да имат общ обем на пространството. Това изискване се нарича подравняване на частиците. При горещия синтез комбинирането на частици става за кратко време, когато се преодолее отблъскващата сила на два положителни заряда и ядрата се сблъскват. По време на студен синтез състоянието на синтез на частици се постига чрез принуждаване на деутериевите ядра да се държат като размити частици, като електрони, а не като малки точкови частици. Когато към тежък метал се добави лек или тежък водород, всеки водороден "атом" заема позиция, в която е заобиколен от всички страни от атоми на тежък метал.

Тази форма на водорода се нарича междинна. Електроните на водородните атоми, заедно с междинния водород, стават част от масата на електроните в метала. Всяко водородно ядро ​​осцилира като махало, докато преминава през отрицателно заредения облак от електрони на метала. Такава вибрация възниква дори при много ниски температури, в съответствие с постулатите на квантовата механика. Този вид движение се нарича движение на нулевата точка. В този случай ядрата стават размазани обекти, като електрони в атом. Подобна неяснота обаче не е достатъчна, за да позволи на едно водородно ядро ​​да взаимодейства с друго.

Друго условие е необходимо две или повече водородни ядра да имат еднакво общо пространство. Електрическият ток, пренасян от електрони в метал, се държи като вибрираща материя, а не като точкови частици. Ако електроните не се държат като вълни в твърди тела, днес нямаше да съществуват нито транзистори, нито модерни компютри. Електрон под формата на вълна се нарича електрон с функция на Блок. Тайната на студения синтез е необходимостта да се получи дейтрон от функцията на Блок. За да могат два или повече дейтрони да имат общ обем на пространството, вълновите дейтрони трябва да бъдат произведени вътре или на повърхността на твърдо тяло. Веднага щом се създадат дейтрони с функция на Блок, ядрената сила започва да действа и протоните и неутроните, които изграждат дейтрона, се реорганизират в по-стабилна хелиева конфигурация с функция на Блок, което е придружено от отделяне на топлина.

За да изследва студения синтез, експериментаторът трябва да принуди дейтероните да преминат в състояние на вълна и да ги поддържа в това състояние. Експериментите със студен синтез, демонстриращи отделянето на излишна топлина, доказват, че това е възможно. Все още обаче никой не знае как да извърши такъв процес по най-надеждния начин. Използването на студен синтез обещава да осигури енергиен ресурс, който ще продължи милиони години, без проблемите на глобалното затопляне или радиоактивността - поради което трябва да се положат сериозни усилия за изследване на това явление.

Всички физически тела на природата са изградени от вид материя, наречена материя. Веществата се делят на две основни групи – прости и сложни вещества.

Сложните вещества са онези вещества, които могат да бъдат разградени на други, по-прости вещества чрез химични реакции. За разлика от сложните вещества, простите вещества са тези, които не могат да бъдат химически разградени до още по-прости вещества.

Пример за сложно вещество е водата, която чрез химическа реакция може да се разложи на две други, по-прости вещества - водород и кислород. Що се отнася до последните две, те вече не могат да бъдат химически разложени на по-прости вещества и следователно са прости вещества или, с други думи, химични елементи.

През първата половина на 19 век в науката съществува предположението, че химичните елементи са непроменливи вещества, които нямат обща връзка помежду си. Въпреки това руският учен Д. И. Менделеев (1834 - 1907) за първи път през 1869 г. разкрива връзката на химичните елементи, показвайки, че качествените характеристики на всеки от тях зависят от неговата количествена характеристика - атомното тегло.

Докато изучава свойствата на химичните елементи, Д. И. Менделеев забелязва, че техните свойства периодично се повтарят в зависимост от атомното им тегло. Той показва тази периодичност под формата на таблица, която е включена в науката под името „Периодичната таблица на елементите на Менделеев“.

По-долу е съвременната периодична таблица на химичните елементи на Менделеев.

Атоми

Според съвременните концепции на науката всеки химичен елемент се състои от съвкупност от малки материални (материални) частици, наречени атоми.

Атомът е най-малката част от химически елемент, която вече не може да бъде химически разложена на други, по-малки и по-прости материални частици.

Атомите на различни по природа химични елементи се различават един от друг по своите физични и химични свойства, структура, размер, маса, атомно тегло, присъща енергия и някои други свойства. Например, водородният атом се различава рязко по своите свойства и структура от кислородния атом, а последният от атома на урана и т.н.

Установено е, че атомите на химичните елементи са изключително малки по размер. Ако условно приемем, че атомите имат сферична форма, тогава техните диаметри трябва да бъдат равни на сто милионни от сантиметъра. Например диаметърът на водороден атом - най-малкият атом в природата - е равен на една сто милионна от сантиметър (10 -8 см), а диаметърът на най-големите атоми, например атом на уран, не надвишава триста милионни от сантиметъра (3 10 -8 cm). Следователно един водороден атом е толкова пъти по-малък от топка с радиус един сантиметър, колкото последната е по-малка от земното кълбо.

В съответствие с много малкия размер на атомите, тяхната маса също е много малка. Например масата на водороден атом е m = 1,67 10 -24 г. Това означава, че един грам водород съдържа приблизително 6 10 23 атома.

Конвенционалната мерна единица за атомните тегла на химичните елементи се приема за 1/16 от теглото на кислородния атом.В съответствие с това атомно тегло на химичния елемент се нарича абстрактно число, което показва колко пъти теглото на даден химичен елемент е по-голямо от 1/16 от теглото на кислороден атом.

Периодичната таблица на елементите от Д. И. Менделеев показва атомните тегла на всички химични елементи (вижте числото, поставено под името на елемента). От тази таблица виждаме, че най-лекият атом е водородният атом, който има атомно тегло 1,008. Атомното тегло на въглерода е 12, на кислорода е 16 и т.н.

Що се отнася до по-тежките химични елементи, тяхното атомно тегло надвишава атомното тегло на водорода повече от двеста пъти. По този начин атомното тегло на живака е 200,6, на радия е 226 и т.н. Колкото по-висок е редът на номера, зает от химичния елемент в периодичната таблица на елементите, толкова по-голямо е атомното тегло.

Повечето от атомните тегла на химичните елементи са изразени в дробни числа. Това до известна степен се обяснява с факта, че такива химични елементи се състоят от набор от много видове атоми, които имат различни атомни тегла, но същите химични свойства.

Химическите елементи, които заемат еднакъв номер в периодичната таблица на елементите и следователно имат еднакви химични свойства, но различни атомни тегла, се наричат ​​изотопи.

Изотопи се намират в повечето химични елементи, той има два изотопа, калций - четири, цинк - пет, калай - единадесет и т.н. Много изотопи се получават чрез изкуството, някои от тях имат голямо практическо значение.

Елементарни частици на материята

Дълго време се смяташе, че атомите на химичните елементи са границата на делимост на материята, т.е. като елементарните „градивни елементи“ на Вселената. Съвременната наука отхвърли тази хипотеза, установявайки, че атомът на всеки химически ейл е сбор от още по-малки материални частици от самия атом.

Според електронната теория за структурата на материята, атом на всеки химичен елемент е система, състояща се от централно ядро, около което се въртят „елементарни“ материални частици, наречени електрони. Ядрата на атомите, според общоприетите възгледи, се състоят от набор от „елементарни“ материални частици - протони и неутрони.

За да разберем структурата на атомите и протичащите в тях физико-химични процеси, е необходимо поне накратко да се запознаем с основните характеристики на елементарните частици, изграждащи атомите.

Реши това електронът е материална частица, която има най-малкия отрицателен електрически заряд, наблюдаван в природата.

Ако условно приемем, че електронът като частица има сферична форма, тогава диаметърът на електрона трябва да бъде равен на 4 · 10 -13 cm, т.е. той е десетки хиляди пъти по-малък от диаметъра на всеки атом.

Електронът, както всяка друга материална частица, има маса. „Масата на покой“ на електрона, т.е. масата, която има в състояние на относителен покой, е равна на m o = 9,1 10 -28 g.

Изключително малката „маса на покой“ на електрона показва, че инертните свойства на електрона са изключително слаби, което означава, че електронът под въздействието на променлива електрическа сила може да осцилира в пространството с честота от много милиарди цикли на второ.

Масата на един електрон е толкова малка, че за да се получи един грам електрони, ще са необходими 1027 единици. За да имаме поне някаква физическа представа за това колосално голямо число, нека дадем следния пример. Ако един грам електрони могат да бъдат поставени в права линия близо един до друг, те биха образували верига с дължина четири милиарда километра.

Масата на електрона, както на всяка друга материална микрочастица, зависи от скоростта на неговото движение.Електронът, намиращ се в състояние на относителна почивка, има „маса на покой“, която е от механичен характер, като масата на всяко физическо тяло. Що се отнася до „масата на движение“ на електрона, която нараства с увеличаване на скоростта на движението му, тя има електромагнитен произход. Дължи се на наличието на електромагнитно поле в движещ се електрон като определен вид материя с маса и електромагнитна енергия.

Колкото по-бързо се движи електронът, толкова повече се проявяват инерционните свойства на неговото електромагнитно поле и следователно толкова по-голяма е масата на последното и съответно неговата електромагнитна енергия. Тъй като електронът със своето електромагнитно поле съставлява единична, органично свързана материална система, естествено е масата на движение на електромагнитното поле на електрона да се припише директно на самия електрон.

Електронът, освен свойствата на частица, има и вълнови свойства. Опитът установява, че потокът от електрони, подобно на светлинния поток, се разпространява под формата на вълнообразно движение. Естеството на вълновото движение на електронния поток в пространството се потвърждава от явленията на интерференция и дифракция на електронни вълни.

Електронна интерференция- това е феноменът на наслагване на електронни завещания едно върху друго и електронна дифракция- това е феноменът на електронни вълни, огъващи се около ръбовете на тясна междина, през която преминава електронен поток. Следователно електронът не е просто частица, а „частица-вълна“, чиято дължина зависи от масата и скоростта на електрона.

Установено е, че електронът освен постъпателното си движение извършва и въртеливо движение около оста си. Този тип движение на електрони се нарича "спин" (от английската дума "spin" - вретено). В резултат на такова движение електронът, освен електрическите свойства, дължащи се на електрическия заряд, придобива и магнитни свойства, напомнящи в това отношение елементарен магнит.

Протонът е материална частица, която има положителен електрически заряд, равен по абсолютна стойност на електрическия заряд на електрона.

Масата на протона е 1,67 · 10-24 g, т.е. това е приблизително 1840 пъти "масата на покой" на електрона.

За разлика от електрона и протона, неутронът няма електрически заряд, т.е. той е електрически неутрална "елементарна" частица от материята. Масата на неутрона е почти равна на масата на протона.

Електроните, протоните и неутроните, като част от атомите, взаимодействат помежду си. По-специално, електроните и протоните се привличат взаимно като частици с противоположни електрически заряди. В същото време електрон от електрон и протон от протон се отблъскват като частици с еднакви електрически заряди.

Взаимодействието на всички тези електрически заредени частици се осъществява чрез техните електрически полета. Тези полета представляват специален вид материя, състояща се от колекция от елементарни материални частици, наречени фотони. Всеки фотон има строго определено количество енергия, присъщо на него (енергиен квант).

Взаимодействието на електрически заредени материални частици се осъществява чрез обмен на фотони един с друг. Обикновено се нарича силата на взаимодействие между електрически заредени частици електрическа сила.

Неутроните и протоните, открити в ядрата на атомите, също взаимодействат помежду си. Това взаимодействие обаче вече не се осъществява чрез електрическо поле, тъй като неутронът е електрически неутрална частица материя, а чрез така нареченото ядрено поле.

Това поле също е специален вид материя, състояща се от колекция от елементарни материални частици, наречени мезони. Взаимодействието на неутрони и протони се осъществява чрез обмен на мезони един с друг. Силата между неутрони и протони, взаимодействащи един с друг, се нарича ядрена сила.

Установено е, че ядрените сили действат в ядрата на атомите на изключително малки разстояния - приблизително 10 - 13 cm.

Ядрените сили значително надвишават по величина електрическите сили на взаимно отблъскване на протоните в ядрото на атома. Това води до факта, че те са в състояние не само да преодолеят силите на взаимно отблъскване на протоните вътре в ядрата на атомите, но и да създадат много силни системи от ядра от комбинация от протони и неутрони.

Стабилността на ядрото на всеки атом зависи от връзката между две противоречиви сили – ядрена (взаимно привличане на протони и неутрони) и електрическа (взаимно отблъскване на протони).

Мощните ядрени сили, действащи в ядрата на атомите, допринасят за превръщането на неутроните и протоните един в друг. Тези взаимопревръщания на неутрони и протони се извършват в резултат на освобождаване или абсорбиране на по-леки елементарни частици, като мезони.

Частиците, които разгледахме, се наричат ​​елементарни, защото не се състоят от набор от други, по-прости частици материя. Но в същото време не трябва да забравяме, че те са способни да се трансформират един в друг, възниквайки за сметка един на друг. Следователно тези частици са сложни образувания, т.е. тяхната елементарност е условна.

Химическа структура на атомите

Най-простият атом в неговата структура е водородният атом. Състои се от сбор само от две елементарни частици - протон и електрон. Протонът в системата на водородния атом играе ролята на централно ядро, около което електронът се върти по определена орбита. На фиг. Фигура 1 схематично показва модел на водороден атом.

Ориз. 1. Схема на структурата на водородния атом

Този модел е само грубо приближение на реалността. Факт е, че електронът като „вълнова частица” няма обем, рязко отграничен от външната среда. Това означава, че не трябва да говорим за някаква точна линейна орбита на електрона, а за вид електронен облак. В този случай електронът най-често заема някаква средна линия на облака, която е една от възможните му орбити в атома.

Трябва да се каже, че самата орбита на електрона не е строго непроменена и неподвижна в атома - тя също, поради промените в масата на електрона, претърпява някакво въртеливо движение. Следователно движението на електрона в атома е относително сложно. Тъй като ядрото на водороден атом (протон) и въртящият се около него електрон имат противоположни електрически заряди, те се привличат взаимно.

В същото време електронът, въртящ се около ядрото на атома, развива центробежна сила, която се стреми да го отстрани от ядрото. Следователно електрическата сила на взаимно привличане между ядрото на атома и електрона и центробежната сила, действаща върху електрона, са противоречащи си сили.

При равновесие техният електрон заема относително стабилна позиция в определена орбита в атома. Тъй като масата на електрона е много малка, за да се балансира силата на привличане към ядрото на атома, той трябва да се върти с огромна скорост, равна приблизително на 6 10 15 оборота в секунда. Това означава, че електронът в системата на водородния атом, както всеки друг атом, се движи по своята орбита с линейна скорост над хиляда километра в секунда.

При нормални условия един електрон се върти в атом от своя вид в орбитата, която е най-близка до ядрото. В същото време има минимално възможно количество енергия. Ако по една или друга причина, например под въздействието на някакви други материални частици, нахлули в атомната система, електронът се премести на орбита, по-отдалечена от атома, тогава той вече ще има малко по-голямо количество енергия.

Електронът обаче остава в тази нова орбита за незначително кратко време, след което отново се завърта до най-близката до атомното ядро ​​орбита. По време на това движение той отдава излишната си енергия под формата на квант електрическо магнитно излъчване - лъчиста енергия (фиг. 2).

Ориз. 2. Електронът, когато се движи от далечна орбита към по-близка до ядрото на атома, излъчва квант лъчиста енергия

Колкото повече енергия получава един електрон отвън, толкова по-отдалечена е орбитата, по която се движи от ядрото на атома, и толкова по-голямо количество електромагнитна енергия излъчва, когато се върти в най-близката до ядрото орбита.

Чрез измерване на количеството енергия, излъчено от електрон, когато се движи от различни орбити до най-близката до ядрото на атома, беше възможно да се установи, че електрон в системата на водородния атом, както в системата на всеки друг атом , не може да се движи по произволна орбита, а по строго определена в съответствие с енергията, която получава под въздействието на външна сила. Орбитите, които един електрон може да заема в един атом, се наричат ​​разрешени орбити.

Тъй като положителният заряд на ядрото на водороден атом (заряд на протона) и отрицателният заряд на електрона са числено равни, общият им заряд е нула. Това означава, че водородният атом в нормалното си състояние е електрически неутрална частица.

Това важи за атомите на всички химични елементи: атом на всеки химичен елемент в нормално състояние е електрически неутрална частица поради численото равенство на неговите положителни и отрицателни заряди.

Тъй като ядрото на водородния атом съдържа само една „елементарна“ частица - протон, така нареченото масово число на това ядро ​​е равно на единица. Масовото число на ядрото на атом на всеки химичен елемент е общият брой на протоните и неутроните, включени в състава на това ядро.

Естественият водород се състои главно от набор от атоми с масово число, равно на единица. Той обаче съдържа и друг вид водородни атоми с масово число, равно на две. Ядрата на атомите на този тежък водород, наречени дейтрони, се състоят от две частици - протон и неутрон. Този изотоп на водорода се нарича деутерий.

Природният водород съдържа много малки количества деутерий. За всеки шест хиляди атома лек водород (масово число равно на единица) има само един атом деутерий (тежък водород). Има още един изотоп на водорода - свръхтежкият водород, наречен тритий. В ядрата на атома на този водороден изотоп има три частици: протон и два неутрона, свързани помежду си чрез ядрени сили. Масовото число на ядрото на тритиевия атом е три, т.е. тритиевият атом е три пъти по-тежък от лекия водороден атом.

Въпреки че атомите на водородните изотопи имат различни маси, те все още имат едни и същи химични свойства.Например лекият водород, влизайки в химично взаимодействие с кислорода, образува с него сложно вещество - вода. По същия начин изотопът на водорода, деутерий, се свързва с кислорода, за да образува вода, която за разлика от обикновената вода се нарича тежка вода. Тежката вода се използва широко в процеса на производство на ядрена (ядрена) енергия.

Следователно химичните свойства на атомите не зависят от масата на техните ядра, а само от структурата на електронната обвивка на атома. Тъй като атомите на лекия водород, деутерий и тритий имат еднакъв брой електрони (по един за всеки атом), тези изотопи имат еднакви химични свойства.

Неслучайно химичният елемент водород заема първо число в периодичната таблица на елементите. Факт е, че има някаква връзка между броя на всеки елемент в периодичната таблица на елементите и стойността на заряда на ядрото на атома на този елемент. Може да се формулира така: поредният номер на всеки химичен елемент в периодичната таблица на елементите е числено равен на положителния заряд на ядрото на този елемент и, следователно, на броя на електроните, въртящи се около него.

Тъй като водородът заема първото число в периодичната таблица на елементите, това означава, че положителният заряд на ядрото на неговия атом е равен на единица и че един електрон се върти около ядрото.

Химическият елемент хелий заема второ място в периодичната таблица на елементите. Това означава, че той има положителен електрически заряд на ядрото, равен на две единици, т.е. ядрото му трябва да съдържа два протона, а електронната обвивка на атома трябва да съдържа два електрода.

Естественият хелий се състои от два изотопа - тежък и лек хелий. Масовото число на тежкия хелий е четири. Това означава, че ядрото на тежък хелиев атом, в допълнение към гореспоменатите два протона, трябва да включва още два неутрона. Що се отнася до лекия хелий, неговото масово число е три, т.е. ядрото му, освен два протона, трябва да включва още един неутрон.

Установено е, че в естествения хелий броят на леките хелиеви атоми е приблизително една милионна от тежките хелиеви атоми. На фиг. Фигура 3 показва схематичен модел на атома на хелия.

Ориз. 3. Схема на структурата на атома на хелия

По-нататъшното усложняване на структурата на атомите на химичните елементи се дължи на увеличаването на броя на протоните и неутроните в ядрата на тези атоми и в същото време поради увеличаването на броя на електроните, въртящи се около ядрата (фиг. 4 ). С помощта на периодичната таблица на елементите е лесно да се определи броят на електроните, протоните и неутроните, които изграждат различни атоми.

Ориз. 4. Схеми на структурата на атомните ядра: 1 - хелий, 2 - въглерод, 3 - кислород

Атомният номер на химичния елемент е равен на броя на протоните, разположени в ядрото на атома, и в същото време на броя на електроните, въртящи се около ядрото. Що се отнася до атомното тегло, то е приблизително равно на масовото число на атома, т.е. броя на протоните и неутроните, комбинирани в ядрото. Следователно, като се извади от атомното тегло на даден елемент число, равно на атомния номер на елемента, може да се определи колко неутрона се съдържат в дадено ядро.

Установено е, че ядрата на леките химични елементи, които съдържат равни части протони и неутрони, се отличават с много висока якост, тъй като ядрените сили в тях са сравнително големи. Например, ядрото на тежък атом на хелий е изключително силно, защото се състои от два протона и два неутрона, свързани заедно от мощни ядрени сили.

Ядрата на атомите на по-тежките химични елементи съдържат различен брой протони и неутрони, така че тяхната връзка в ядрото е по-слаба, отколкото в ядрата на леките химични елементи. Ядрата на тези елементи могат да бъдат сравнително лесно разделени при бомбардиране с атомни „снаряди“ (неутрони, хелиеви ядра и др.).

Що се отнася до най-тежките химически елементи, особено радиоактивните, техните ядра са толкова слаби, че спонтанно се разпадат на съставните си части. Например атомите на радиоактивния елемент радий, състоящи се от комбинация от 88 протона и 138 неутрона, спонтанно се разпадат, превръщайки се в атоми на радиоактивния елемент радон. Атомите на последния от своя страна се разпадат на съставните си части, превръщайки се в атоми на други елементи.

След като се запознахме накратко с компонентите на ядрата на атомите на химичните елементи, нека разгледаме структурата на електронните обвивки на атомите. Както е известно, електроните могат да се въртят около атомните ядра само по строго определени орбити. Освен това те са така групирани в електронната обвивка на всеки атом, че отделните слоеве от електрони могат да бъдат разграничени.

Всеки слой може да съдържа брой електрони, който не надвишава строго определен брой. Така например в първия електронен слой, който е най-близо до ядрото на атома, може да има максимум два електрона, във втория - не повече от осем електрона и т.н.

Тези атоми, чиито външни електронни слоеве са напълно запълнени, имат най-стабилна електронна обвивка. Това означава, че този атом здраво държи всичките си електрони и не е необходимо да получава допълнително количество отвън. Например, атомът на хелий има два електрона, които запълват напълно първия електронен слой, а атомът на неона има десет електрона, от които първите два запълват напълно първия електронен слой, а останалите - втория (фиг. 5).

Ориз. 5. Схема на структурата на неоновия атом

Следователно атомите на хелий и неон имат напълно стабилни електронни обвивки и не се стремят по някакъв начин да ги променят количествено. Такива елементи са химически инертни, т.е. те не взаимодействат химически с други елементи.

Повечето химични елементи обаче имат атоми, в които външните електронни слоеве не са изцяло запълнени с електрони. Например един калиев атом има деветнадесет електрона, осемнадесет от които запълват напълно първите три слоя, а деветнадесетият електрон е сам в следващия, незапълнен електронен слой. Слабото запълване на четвъртия електронен слой с електрони води до факта, че ядрото на атома много слабо задържа най-външния електрон, деветнадесетия електрон, и следователно последният може лесно да бъде изтръгнат от атома. .

Или, например, един кислороден атом има осем електрона, два от които напълно запълват първия слой, а останалите шест са разположени във втория слой. По този начин, за да завърши напълно изграждането на втория електронен слой в кислородния атом, той се нуждае само от два електрона. Следователно кислородният атом не само държи здраво шестте си електрона във втория слой, но също така има способността да привлича двата електрона, които му липсват, за да запълни своя втори електронен слой. Той постига това чрез химично комбиниране с атоми на елементи, чиито външни електрони са слабо свързани с техните ядра.

Химическите елементи, чиито атоми нямат външни електронни слоеве, напълно запълнени с електрони, като правило са химически активни, т.е. те лесно влизат в химични взаимодействия.

И така, електроните в атомите на химичните елементи са подредени в строго определен ред и всяка промяна в тяхното пространствено разположение или количество в електронната обвивка на атома води до промяна във физикохимичните свойства на последния.

Равенството на броя на електроните и протоните в атомната система е причина общият й електрически заряд да е нула. Ако се наруши равенството на броя на електроните и протоните в атомната система, тогава атомът се превръща в електрически заредена система.

Атом, в чиято система балансът на противоположните електрически заряди е нарушен поради факта, че той е загубил част от електроните си или, обратно, е придобил излишно количество от тях, се нарича йон.

Напротив, ако един атом получи допълнителни електрони, той се превръща в отрицателен йон. Например хлорен атом, който е получил един допълнителен електрон, се превръща в еднократно зареден отрицателен хлорен йон Cl -. Кислороден атом, който е получил допълнителни два електрона, се превръща в двойно зареден отрицателен кислороден йон O и т.н.

Превърналият се в йон атом се превръща в електрически заредена система по отношение на външната среда. Това означава, че атомът започва да има електрическо поле, заедно с което съставлява единна материална система и чрез това поле осъществява електрическо взаимодействие с други електрически заредени частици на материята - йони, електрони, положително заредени атомни ядра и др.

Способността на различни йони да се привличат взаимно е причината те да се комбинират химически, образувайки по-сложни частици материя - молекули.

В заключение трябва да се отбележи, че размерите на един атом са много големи в сравнение с размерите на материалните частици, от които са съставени. Ядрото на най-сложния атом, заедно с всички електрони, заема една милиардна част от обема на атома. Едно просто изчисление показва, че ако един кубичен метър платина може да бъде компресиран толкова плътно, че вътрешноатомните и междуатомните пространства да изчезнат, тогава обемът ще бъде равен на приблизително един кубичен милиметър.

Изучавайки структурата на материята, физиците разбраха от какво са изградени атомите, стигнаха до атомното ядро ​​и го разделиха на протони и неутрони. Всички тези стъпки бяха дадени доста лесно - просто трябваше да ускорите частиците до необходимата енергия, да ги натиснете една срещу друга и след това те сами ще се разпаднат на съставните си части.

Но с протоните и неутроните този трик вече не работи. Въпреки че са съставни частици, те не могат да бъдат „разбити на парчета“ дори при най-жестокия сблъсък. Следователно на физиците са били необходими десетилетия, за да измислят различни начини да погледнат вътре в протона, да видят неговата структура и форма. Днес изследването на структурата на протона е една от най-активните области на физиката на елементарните частици.

Природата подсказва

Историята на изучаването на структурата на протоните и неутроните датира от 30-те години на миналия век. Когато в допълнение към протоните бяха открити неутрони (1932 г.), след като измериха тяхната маса, физиците бяха изненадани да установят, че тя е много близка до масата на протона. Освен това се оказа, че протоните и неутроните „усещат“ ядреното взаимодействие по абсолютно същия начин. Толкова идентични, че от гледна точка на ядрените сили протонът и неутронът могат да се разглеждат като две проявления на една и съща частица - нуклон: протонът е електрически зареден нуклон, а неутронът е неутрален нуклон. Разменете протоните с неутрони и ядрените сили (почти) няма да забележат нищо.

Физиците изразяват това свойство на природата като симетрия - ядреното взаимодействие е симетрично по отношение на замяната на протоните с неутрони, така както пеперудата е симетрична по отношение на замяната на ляво с дясно. Тази симетрия, освен че играе важна роля в ядрената физика, всъщност е първият намек, че нуклоните имат интересна вътрешна структура. Вярно е, че през 30-те години физиците не осъзнават този намек.

Разбирането дойде по-късно. Всичко започна с факта, че през 1940-50-те години, в реакциите на сблъсък на протони с ядрата на различни елементи, учените бяха изненадани да открият все повече и повече нови частици. Не протони, не неутрони, не откритите по това време пи-мезони, които държат нуклони в ядрата, а някои напълно нови частици. Въпреки цялото си разнообразие, тези нови частици имаха две общи свойства. Първо, те, подобно на нуклоните, много охотно участваха в ядрени взаимодействия - сега такива частици се наричат ​​адрони. И второ, те бяха изключително нестабилни. Най-нестабилните от тях се разпадат на други частици само за една трилионна от наносекунда, без дори да имат време да летят с размерите на атомно ядро!

Дълго време адронният „зоопарк“ беше пълна бъркотия. В края на 50-те години на миналия век физиците вече бяха научили доста различни видове адрони, започнаха да ги сравняват един с друг и изведнъж видяха известна обща симетрия, дори периодичност, в техните свойства. Предполага се, че във всички адрони (включително нуклони) има някои прости обекти, наречени „кварки“. Чрез комбиниране на кварки по различни начини е възможно да се получат различни адрони и от точно същия тип и със същите свойства, които са открити в експеримента.

Какво прави протон протон?

След като физиците откриха кварковата структура на адроните и научиха, че кварките се предлагат в няколко различни разновидности, стана ясно, че много различни частици могат да бъдат конструирани от кварки. Така че никой не беше изненадан, когато следващите експерименти продължиха да откриват нови адрони един след друг. Но сред всички адрони беше открито цяло семейство частици, състоящо се, точно като протона, само от две u-кварки и един д-кварк. Един вид "брат" на протона. И тук физиците бяха изненадани.

Нека първо направим едно просто наблюдение. Ако имаме няколко обекта, състоящи се от едни и същи „тухли“, тогава по-тежките обекти съдържат повече „тухли“, а по-леките съдържат по-малко. Това е много естествен принцип, който може да се нарече принцип на комбинация или принцип на надстройка, и той работи перфектно както в ежедневието, така и във физиката. Той се проявява дори в структурата на атомните ядра - в крайна сметка по-тежките ядра просто се състоят от по-голям брой протони и неутрони.

На ниво кварки обаче този принцип изобщо не работи и, разбира се, физиците все още не са разбрали напълно защо. Оказва се, че тежките братя на протона също се състоят от същите кварки като протона, въпреки че са един и половина или дори два пъти по-тежки от протона. Те се различават от протона (и се различават един от друг) не състав,и взаимно местоположениекварки, от състоянието, в което тези кварки се намират един спрямо друг. Достатъчно е да променим относителното положение на кварките - и от протона ще получим друга, значително по-тежка частица.

Какво ще стане, ако все пак вземете и съберете повече от три кварка заедно? Ще има ли нова тежка частица? Изненадващо, това няма да работи - кварките ще се разпаднат на три и ще се превърнат в няколко разпръснати частици. По някаква причина природата „не обича“ да комбинира много кварки в едно цяло! Съвсем наскоро, буквално през последните години, започнаха да се появяват намеци, че някои многокваркови частици наистина съществуват, но това само подчертава колко природата не ги харесва.

От тази комбинаторика следва много важно и дълбоко заключение - масата на адроните изобщо не се състои от масата на кварките. Но ако масата на адрон може да бъде увеличена или намалена чрез просто рекомбиниране на неговите съставни тухли, тогава не самите кварки са отговорни за масата на адроните. И наистина, в следващите експерименти беше възможно да се установи, че масата на самите кварки е само около два процента от масата на протона, а останалата част от гравитацията възниква поради силовото поле (специални частици - глуони), които свързват кварките заедно. Променяйки относителното положение на кварките, например, отдалечавайки ги един от друг, ние променяме глуонния облак, правейки го по-масивен, поради което масата на адрона се увеличава (фиг. 1).

Какво се случва вътре в бързо движещ се протон?

Всичко описано по-горе се отнася до стационарен протон, на езика на физиците това е структурата на протона в неговата рамка на покой. В експеримента обаче структурата на протона е открита за първи път при други условия - вътре бързо летенепротон.

В края на 60-те години на миналия век при експерименти върху сблъсъци на частици в ускорители беше забелязано, че протоните, пътуващи със скорост, близка до светлинната, се държат така, сякаш енергията вътре в тях не е разпределена равномерно, а е концентрирана в отделни компактни обекти. Известният физик Ричард Файнман предложи да наречем тези бучки материя вътре в протони партони(от английски част -част).

Последвалите експерименти изследват много от свойствата на партоните - например техния електрически заряд, техния брой и частта от протонната енергия, която всеки носи. Оказва се, че заредените партони са кварки, а неутралните партони са глуони. Да, същите тези глуони, които в рамката на покой на протона просто „обслужваха“ кварките, привличайки ги един към друг, сега са независими партони и заедно с кварките носят „материята“ и енергията на бързо движещ се протон. Експериментите показват, че приблизително половината от енергията се съхранява в кварки, а половината в глуони.

Партоните се изследват най-удобно при сблъсъци на протони с електрони. Факт е, че за разлика от протона, електронът не участва в силни ядрени взаимодействия и неговият сблъсък с протон изглежда много прост: електронът излъчва виртуален фотон за много кратко време, който се блъска в зареден партон и в крайна сметка генерира голям брой частици (фиг. 2). Можем да кажем, че електронът е отличен скалпел за "отваряне" на протона и разделянето му на отделни части - но само за много кратко време. Знаейки колко често се случват такива процеси в ускорителя, можете да измерите броя на партоните в протона и техните заряди.

Кои всъщност са Партоновите?

И тук стигаме до друго удивително откритие, което физиците са направили, докато са изучавали сблъсъци на елементарни частици при високи енергии.

При нормални условия въпросът от какво се състои този или онзи обект има универсален отговор за всички референтни системи. Например една водна молекула се състои от два водородни атома и един кислороден атом – и няма значение дали гледаме неподвижна или движеща се молекула. Това правило обаче изглежда толкова естествено! - се нарушава, ако говорим за елементарни частици, движещи се със скорости, близки до скоростта на светлината. В една отправна система сложната частица може да се състои от един набор от подчастици, а в друга отправна система от друг. Оказва се, че композицията е относително понятие!

Как е възможно това? Ключът тук е едно важно свойство: броят на частиците в нашия свят не е фиксиран – частиците могат да се раждат и да изчезват. Например, ако натиснете заедно два електрона с достатъчно висока енергия, тогава в допълнение към тези два електрона може да се роди или фотон, или двойка електрон-позитрон, или някакви други частици. Всичко това е позволено от квантовите закони и точно това се случва в реалните експерименти.

Но този „закон за незапазване“ на частиците работи в случай на сблъсъцичастици. Как се случва един и същ протон от различни гледни точки да изглежда като съставен от различен набор от частици? Въпросът е, че протонът не е просто три кварка, събрани заедно. Между кварките има глуонно силово поле. Като цяло, силово поле (като гравитационно или електрическо поле) е вид материално „същество“, което прониква в пространството и позволява на частиците да упражняват силно влияние една върху друга. В квантовата теория полето също се състои от частици, макар и специални - виртуални. Броят на тези частици не е фиксиран, те непрекъснато се „отглеждат“ от кварките и се абсорбират от други кварки.

ПочивайкиЕдин протон наистина може да се разглежда като три кварка с глуони, прескачащи между тях. Но ако погледнем същия протон от друга референтна система, сякаш от прозореца на преминаващ „релативистичен влак“, ще видим съвсем различна картина. Тези виртуални глуони, които са слепили кварките заедно, ще изглеждат по-малко виртуални, „по-истински“ частици. Те, разбира се, все още се раждат и поглъщат от кварките, но в същото време живеят сами за известно време, летейки до кварките, като истински частици. Това, което изглежда като обикновено силово поле в една отправна система, се превръща в поток от частици в друга система! Обърнете внимание, че не докосваме самия протон, а само го разглеждаме от различна референтна система.

Освен това. Колкото по-близо е скоростта на нашия „релативистичен влак“ до скоростта на светлината, толкова по-невероятна е картината, която ще видим вътре в протона. С приближаването на скоростта на светлината ще забележим, че има все повече и повече глуони вътре в протона. Освен това понякога те се разделят на двойки кварк-антикварк, които също летят наблизо и също се считат за партони. В резултат на това ултрарелативисткият протон, т.е. протонът, който се движи спрямо нас със скорост, много близка до скоростта на светлината, се появява под формата на взаимопроникващи облаци от кварки, антикварки и глуони, които летят заедно и сякаш се поддържат един друг (фиг. 3).

Читател, запознат с теорията на относителността, може да бъде загрижен. Цялата физика се основава на принципа, че всеки процес протича по един и същи начин във всички инерционни отправни системи. Но се оказва, че съставът на протона зависи от референтната система, от която го наблюдаваме?!

Да, точно така, но това по никакъв начин не нарушава принципа на относителността. Резултатите от физическите процеси - например кои частици и колко се произвеждат в резултат на сблъсък - наистина се оказват инвариантни, въпреки че съставът на протона зависи от референтната система.

Тази ситуация, необичайна на пръв поглед, но отговаряща на всички закони на физиката, е схематично илюстрирана на фигура 4. Тя показва как изглежда сблъсъкът на два протона с висока енергия в различни отправни системи: в системата на покой на един протон, в рамката на центъра на масата, в рамката на покой на друг протон. Взаимодействието между протоните се осъществява чрез каскада от разделящи се глуони, но само в един случай тази каскада се счита за „вътрешността“ на един протон, в друг случай се счита за част от друг протон, а в третия е просто някакъв обект, който се обменя между два протона. Тази каскада съществува, тя е реална, но към коя част от процеса трябва да се припише зависи от референтната рамка.

3D портрет на протон

Всички резултати, за които току-що говорихме, се основават на експерименти, проведени доста отдавна - през 60-70-те години на миналия век. Изглежда, че оттогава всичко трябва да е проучено и всички въпроси трябва да са намерили своите отговори. Но не - структурата на протона все още остава една от най-интересните теми във физиката на елементарните частици. Освен това интересът към него отново се увеличи през последните години, тъй като физиците измислиха как да получат „триизмерен“ портрет на бързо движещ се протон, което се оказа много по-трудно от портрет на неподвижен протон.

Класическите експерименти върху сблъсъци на протони разказват само за броя на партоните и тяхното енергийно разпределение. В такива експерименти партоните участват като независими обекти, което означава, че от тях е невъзможно да се разбере как партоните са разположени един спрямо друг или как точно се събират в протон. Можем да кажем, че дълго време на физиците беше достъпен само „едноизмерен“ портрет на бързо движещ се протон.

За да се изгради реален, триизмерен портрет на протон и да се установи разпределението на партоните в пространството, са необходими много по-фини експерименти от тези, които бяха възможни преди 40 години. Физиците се научиха да провеждат такива експерименти съвсем наскоро, буквално през последното десетилетие. Те разбраха, че сред огромния брой различни реакции, които възникват, когато електрон се сблъска с протон, има една специална реакция - дълбоко виртуално комптоново разсейване, - което може да ни каже за триизмерната структура на протона.

Най-общо Комптъновото разсейване или ефектът на Комптън е еластичен сблъсък на фотон с частица, например протон. Изглежда така: пристига фотон, поглъща се от протон, който преминава във възбудено състояние за кратко време и след това се връща в първоначалното си състояние, излъчвайки фотон в някаква посока.

Комптъновото разсейване на обикновените светлинни фотони не води до нищо интересно - то е просто отражение на светлината от протон. За да „влезе в действие“ вътрешната структура на протона и да се „почувства“ разпределението на кварките, е необходимо да се използват фотони с много висока енергия – милиарди пъти повече, отколкото при обикновена светлина. И точно такива фотони – макар и виртуални – лесно се генерират от падащ електрон. Ако сега комбинираме едното с другото, получаваме дълбоко виртуално Комптъново разсейване (фиг. 5).

Основната характеристика на тази реакция е, че тя не разрушава протона. Инцидентният фотон не просто удря протона, но, така да се каже, внимателно го усеща и след това отлита. Посоката, в която той отлита и каква част от енергията му отнема протонът, зависи от структурата на протона, от относителното разположение на партоните вътре в него. Ето защо, изучавайки този процес, е възможно да се възстанови триизмерният вид на протона, сякаш да се „извае неговата скулптура“.

Вярно е, че това е много трудно за един физик експериментатор. Необходимият процес се случва доста рядко и е трудно да се регистрира. Първите експериментални данни за тази реакция са получени едва през 2001 г. в ускорителя HERA в немския ускорителен комплекс DESY в Хамбург; нова поредица от данни сега се обработва от експериментатори. Но вече днес, въз основа на първите данни, теоретиците чертаят триизмерни разпределения на кварките и глуоните в протона. Физическа величина, за която физиците преди това са правили само предположения, най-накрая започна да „изплува“ от експеримента.

Очакват ли ни неочаквани открития в тази област? Вероятно е да. За илюстрация да кажем, че през ноември 2008 г. се появи интересна теоретична статия, която твърди, че бързо движещият се протон не трябва да изглежда като плосък диск, а като двойновдлъбната леща. Това се случва, защото партоните, разположени в централната област на протона, се компресират по-силно в надлъжна посока, отколкото партоните, разположени по краищата. Би било много интересно да проверим експериментално тези теоретични прогнози!

Защо всичко това е интересно за физиците?

Защо физиците изобщо трябва да знаят как точно се разпределя материята в протоните и неутроните?

Първо, това се налага от самата логика на развитие на физиката. В света има много удивително сложни системи, с които съвременната теоретична физика все още не може да се справи напълно. Адроните са една такава система. Разбирайки структурата на адроните, ние усъвършенстваме способностите на теоретичната физика, която може да се окаже универсална и може би ще помогне в нещо съвсем различно, например при изучаването на свръхпроводници или други материали с необичайни свойства.

Второ, има пряка полза за ядрената физика. Въпреки почти вековната история на изучаване на атомните ядра, теоретиците все още не знаят точния закон на взаимодействие между протони и неутрони.

Те трябва отчасти да отгатнат този закон въз основа на експериментални данни и отчасти да го конструират въз основа на знания за структурата на нуклоните. Тук ще помогнат нови данни за триизмерната структура на нуклоните.

Трето, преди няколко години физиците успяха да получат не по-малко от ново агрегатно състояние на материята - кварк-глюонна плазма. В това състояние кварките не седят вътре в отделни протони и неутрони, а се разхождат свободно в цялата бучка ядрена материя. Това може да се постигне например по следния начин: тежките ядра се ускоряват в ускорител до скорост, много близка до скоростта на светлината, и след това се сблъскват челно. При този сблъсък за много кратко време възникват температури от трилиони градуси, което стопява ядрата в кварк-глуонна плазма. И така, оказва се, че теоретичните изчисления на това ядрено топене изискват добро познаване на триизмерната структура на нуклоните.

И накрая, тези данни са много необходими за астрофизиката. Когато тежките звезди експлодират в края на живота си, те често оставят след себе си изключително компактни обекти - неутронни и вероятно кваркови звезди. Ядрото на тези звезди се състои изцяло от неутрони и може би дори от студена кварк-глуонна плазма. Такива звезди отдавна са открити, но може само да се гадае какво се случва вътре в тях. Така че доброто разбиране на разпределенията на кварките може да доведе до напредък в астрофизиката.