Wissenschaftliche Beratung zur Kernfusion. Protonen und Neutronen: Chaos in der Materie Aus zwei Protonen und zwei Neutronen
Aqtöbe, 2014
Hadron. Eine Klasse von Elementarteilchen, die an der starken Wechselwirkung beteiligt sind. Hadronen bestehen aus Quarks und werden in zwei Gruppen eingeteilt: Baryonen (aus drei Quarks) und Mesonen (aus einem Quark und einem Antiquark). Die meiste Materie, die wir beobachten, besteht aus Baryonen: Protonen und Nukleonen, die Teil der Atomkerne sind.
Aktivität radioaktiver Quellen- das Verhältnis der Gesamtzahl der Zerfälle radioaktiver Kerne in einer radioaktiven Quelle zur Zerfallszeit.
Alphastrahlung- eine Art ionisierender Strahlung – ein Strom positiv geladener Teilchen (Alphateilchen), die beim radioaktiven Zerfall und bei Kernreaktionen emittiert werden. Die Durchdringungskraft der Alphastrahlung ist gering (sie wird durch ein Blatt Papier blockiert). Es ist äußerst gefährlich, dass Alphastrahlungsquellen über die Nahrung, die Luft oder durch geschädigte Haut in den Körper gelangen.
Alpha-Zerfall(oder α-Zerfall) – spontane Emission von Alpha-Partikeln (Helium-Atomkernen) durch Atomkerne
Alphateilchen- ein Teilchen bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Identisch mit dem Kern eines Heliumatoms.
Vernichtung- die Wechselwirkung eines Elementarteilchens und eines Antiteilchens, wodurch diese verschwinden und ihre Energie in elektromagnetische Strahlung umgewandelt wird.
Vernichtung ist die Reaktion eines Teilchens und eines Antiteilchens, die sich bei der Kollision in andere Teilchen umwandeln.
Antiteilchen ist ein Teilchen, das die gleichen Werte für Masse, Spin, Ladung und andere physikalische Eigenschaften wie sein „Zwillingsteilchen“ hat, sich jedoch in den Vorzeichen einiger Wechselwirkungseigenschaften (z. B. dem Vorzeichen der elektrischen Ladung) von diesem unterscheidet. .
Antiteilchen sind Zwillinge gewöhnlicher Elementarteilchen, die sich von diesen im Vorzeichen ihrer elektrischen Ladung und den Vorzeichen einiger anderer Eigenschaften unterscheiden. Teilchen und Antiteilchen haben die gleichen Massen, Spins und Lebensdauern.
Wechselstrom- Kernkraftwerk – ein Industrieunternehmen zur Erzeugung elektrischer oder thermischer Energie unter Verwendung eines oder mehrerer Kernreaktoren und einer Reihe notwendiger Systeme, Geräte, Ausrüstungen und Strukturen mit dem erforderlichen Personal,
Atom- das kleinste Teilchen eines chemischen Elements, das seine Eigenschaften behält. Besteht aus einem Kern, in dem sich Protonen, Neutronen und Elektronen bewegen. Die Anzahl der Elektronen in einem Atom ist gleich der Anzahl der Protonen im Kern.
Atommasse- die Masse eines Atoms eines chemischen Elements, ausgedrückt in Atommasseneinheiten (amu). Für 1 Amu Angenommen wird 1/12 der Masse des Kohlenstoffisotops mit der Atommasse 12. 1 amu = 1,6605655·10-27 kg. Die Atommasse ist die Summe der Massen aller Protonen und Neutronen in einem bestimmten Atom.
Atomkern- der positiv geladene zentrale Teil des Atoms, um den sich Elektronen drehen und in dem fast die gesamte Masse des Atoms konzentriert ist. Besteht aus Protonen und Neutronen. Die Kernladung wird durch die Gesamtladung der Protonen im Kern bestimmt und entspricht der Ordnungszahl des chemischen Elements im Periodensystem der Elemente.
Baryonen– Teilchen bestehend aus drei Quarks, die ihre Quantenzahlen bestimmen. Mit Ausnahme des Protons sind alle Baryonen instabil.
Speicherpool- eine Anlage am Reaktorstandort eines Kernkraftwerks zur vorübergehenden Lagerung abgebrannter Kernbrennstoffe unter einer Wasserschicht, um Radioaktivität und Zerfallswärme zu reduzieren.
Becquerel(Bq) ist die SI-Einheit der Aktivität einer radioaktiven Substanz. 1 Bq entspricht der Aktivität einer radioaktiven Substanz, bei der in 1 s ein Zerfallsereignis auftritt.
β γ-Strahlen- Fluss schneller Elektronen.
α-Strahlen- Fluss von Heliumkernen.
γ-Strahlen- elektromagnetische Wellen mit einer sehr kurzen Wellenlänge (L ~ 10 -10 m).
Betastrahlung- eine Art ionisierender Strahlung – ein Fluss von Elektronen oder Positronen, der bei Kernreaktionen oder radioaktivem Zerfall emittiert wird. Betastrahlung kann bis zu einer Tiefe von 1 cm in das Körpergewebe eindringen und stellt sowohl hinsichtlich der äußeren als auch inneren Einwirkung eine Gefahr für den Menschen dar.
Beta-Teilchen– von Atomkernen emittierte Elektronen und Positronen sowie ein freies Neutron beim Betazerfall. Beim elektronischen Betazerfall eines Atomkerns wird ein Elektron e - (sowie ein Antineutrino) emittiert; beim Positronenzerfall von Atomkernen wird ein Positron e + (und ein Neutrino ν) emittiert. Der Zerfall eines freien Neutrons (n) erzeugt ein Proton (p), ein Elektron und ein Antineutrino: n → p + e - + .
Elektron und Positron– stabile Teilchen mit Spin J = 1/2 (innerer mechanischer Drehimpuls), die zur Klasse der Leptonen gehören. Ein Positron ist ein Antiteilchen zu einem Elektron.
Biologischer Schutz- eine Strahlungsbarriere, die um den Reaktorkern und sein Kühlsystem herum errichtet wird, um die schädlichen Auswirkungen von Neutronen- und Gammastrahlung auf Personal, Öffentlichkeit und Umwelt zu verhindern. In einem Kernkraftwerk ist Beton das Hauptmaterial für den biologischen Schutz. Bei Hochleistungsreaktoren beträgt die Dicke des Betonschutzschirms mehrere Meter.
Bosonen(nach dem Namen des indischen Physikers S. Bose) – Elementarteilchen, Atomkerne, Atome mit null oder ganzzahligem Spin (0ћ, 1ћ, 2ћ, …).
Schnelle Neutronen- Neutronen, deren kinetische Energie höher als ein bestimmter Wert ist. Dieser Wert kann in einem weiten Bereich variieren und ist abhängig von der Anwendung (Reaktorphysik, Schutz oder Dosimetrie). In der Reaktorphysik wird dieser Wert am häufigsten mit 0,1 MeV gewählt.
Wilson-Kammer– ein Spurdetektor für geladene Elementarteilchen, bei dem die Spur (Spur) eines Teilchens durch eine Kette kleiner Flüssigkeitströpfchen entlang der Flugbahn seiner Bewegung gebildet wird.
Gammastrahlung- eine Art ionisierender Strahlung – elektromagnetische Strahlung, die beim radioaktiven Zerfall und bei Kernreaktionen entsteht, sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und eine hohe Energie und Durchdringungskraft aufweist. Wird effektiv geschwächt, wenn es mit schweren Elementen wie Blei interagiert. Zur Abschwächung der Gammastrahlung in Kernreaktoren von Kernkraftwerken wird ein dickwandiger Schutzschirm aus Beton eingesetzt.
Gesetz des radioaktiven Zerfalls- das Gesetz, nach dem die Anzahl der nicht zerfallenen Atome ermittelt wird: N = N 0 2 -t/T.
Deuterium- „schweres“ Wasserstoffisotop mit der Atommasse 2.
Detektor für ionisierende Strahlung- ein empfindliches Element eines Messgeräts zur Registrierung ionisierender Strahlung. Seine Wirkung beruht auf Phänomenen, die auftreten, wenn Strahlung Materie durchdringt.
Strahlendosis- im Strahlenschutz - ein Maß für die Wirkung ionisierender Strahlung auf ein biologisches Objekt, insbesondere eine Person. Es gibt Expositions-, absorbierte und äquivalente Dosen.
Überschüssige Masse(oder Massendefekt) – ausgedrückt in Energieeinheiten, die Differenz zwischen der Masse eines neutralen Atoms und dem Produkt der Anzahl der Nukleonen (die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen) im Kern dieses Atoms pro Atommasseneinheit
Isotope- Nuklide mit derselben Ordnungszahl, aber unterschiedlichen Atommassen (z. B. Uran-235 und Uran-238).
Isotope– Atomkerne mit gleicher Protonenzahl Z, unterschiedlicher Neutronenzahl N und damit unterschiedlicher Massenzahl A = Z + N. Beispiel: Calciumisotope Ca (Z = 20) – 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca.
Radioaktive Isotope sind Isotopenkerne, die einem radioaktiven Zerfall unterliegen. Die meisten bekannten Isotope sind radioaktiv (~3500).
Wilson-Kammer- ein Gerät zur Beobachtung von Spuren von sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Mikropartikeln (Elektronen, Protonen, Alphateilchen usw.). 1912 vom englischen Physiker Wilson gegründet.
Ein Quark ist ein geladenes Elementarteilchen, das an der starken Wechselwirkung teilnimmt. Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus drei Quarks.
Kosmische Strahlung- ionisierende Hintergrundstrahlung, die aus Primärstrahlung aus dem Weltraum und Sekundärstrahlung besteht, die aus der Wechselwirkung der Primärstrahlung mit der Atmosphäre entsteht.
Kosmische Strahlen sind Ströme geladener Elementarteilchen hoher Energie (hauptsächlich Protonen, Alphateilchen und Elektronen), die sich im interplanetaren und interstellaren Raum ausbreiten und die Erde kontinuierlich „bombardieren“.
Reproduktionsrate- das wichtigste Merkmal einer Spaltkettenreaktion, das das Verhältnis der Anzahl der Neutronen einer bestimmten Generation zur Anzahl der Neutronen der vorherigen Generation in einer unendlichen Umgebung angibt. Häufig wird eine andere Definition des Multiplikationsfaktors verwendet – das Verhältnis der Erzeugungs- und Absorptionsraten von Neutronen.
Kritische Masse- die kleinste Brennstoffmasse, in der bei einer bestimmten Konstruktion und Zusammensetzung des Kerns eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion der Kernspaltung stattfinden kann (hängt von vielen Faktoren ab, zum Beispiel: Brennstoffzusammensetzung, Moderator, Kernform usw.).
Curie (Ci)- extrasystemische Aktivitätseinheit, zunächst die Aktivität von 1 g des Radium-226-Isotops. 1Ci=3,7·1010 Bq.
Kritische Masse(tk) - die kleinste Masse an Kernbrennstoff (Uran, Plutonium), bei der eine nukleare Kettenreaktion auftritt.
Curie(Ci) ist eine systemexterne Aktivitätseinheit einer radioaktiven Substanz. 1 Ci = 3,7 · 10 · 10 Bq.
Leptonen(von griechisch leptos – leicht, klein) – eine Gruppe von Punktteilchen mit einem Spin von 1/2ћ, die nicht an starken Wechselwirkungen teilnehmen. Leptongröße (falls vorhanden)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- Elektron (e –) und Elektron-Neutrino (ν e),
- Myon (μ –) und Myon-Neutrino (ν μ),
- Tau-Lepton (τ –) und Tau-Neutrino (ν τ),
Magische Kerne sind Atomkerne, die die sogenannten magischen Zahlen von Protonen oder Neutronen enthalten.
| Z | |||||||
| N |
Diese Kerne haben eine höhere Bindungsenergie als benachbarte Kerne. Sie haben eine höhere Nukleonentrennungsenergie und kommen in der Natur häufiger vor.
Massenzahl(A) – die Gesamtzahl der Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Atomkern; eines der Hauptmerkmale des Atomkerns.
Dosisleistung- das Verhältnis des Anstiegs der Strahlendosis über ein Zeitintervall zu diesem Intervall (zum Beispiel: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, μrem/h, μSv/h).
Neutron- ein neutrales Elementarteilchen mit einer Masse nahe der Masse eines Protons. Neutronen bilden zusammen mit Protonen den Atomkern. Im freien Zustand ist es instabil und zerfällt in ein Proton und ein Elektron.
Nuklid- eine Atomart mit einer bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen im Kern, gekennzeichnet durch Atommasse und Ordnungszahl.
Anreicherung (durch Isotop):
2. Ein Prozess, der zu einer Erhöhung des Gehalts eines bestimmten Isotops in einer Isotopenmischung führt.
Urananreicherung- eine Reihe von Verfahren zur Primärverarbeitung mineralischer uranhaltiger Rohstoffe mit dem Ziel, Uran von anderen Mineralien, aus denen das Erz besteht, zu trennen. In diesem Fall ändert sich nicht die Zusammensetzung der Mineralien, sondern lediglich deren mechanische Trennung zur Herstellung von Erzkonzentrat.
Angereicherter Kernbrennstoff- Kernbrennstoff, in dem der Gehalt an spaltbaren Nukliden höher ist als in den ursprünglichen natürlichen Rohstoffen.
Angereichertes Uran- Uran, bei dem der Gehalt des Uran-235-Isotops höher ist als bei natürlichem Uran.
Halbwertszeit(T) ist das Zeitintervall, in dem die Hälfte der ursprünglichen Kernzahl zerfällt.
Halbwertszeit– die Zeit, in der die Hälfte der radioaktiven Kerne zerfällt. Diese mit T 1/2 bezeichnete Größe ist eine Konstante für einen gegebenen radioaktiven Kern (Isotop). Der Wert T 1/2 charakterisiert eindeutig die Zerfallsrate radioaktiver Kerne und entspricht zwei anderen Konstanten, die diese Rate charakterisieren: der durchschnittlichen Lebensdauer eines radioaktiven Kerns τ und der Zerfallswahrscheinlichkeit eines radioaktiven Kerns pro Zeiteinheit λ.
Absorbierte Strahlendosis- das Verhältnis der absorbierten Energie E der ionisierenden Strahlung zur Masse der von ihr bestrahlten Substanz.
Bohrs Postulate- von N. Bohr ohne Beweis eingeführte Grundannahmen, die die Grundlage der Quantentheorie des Atoms bilden.
Offset-Regel: Beim a-Zerfall verliert der Kern seine positive Ladung 2e und seine Masse nimmt um etwa 4 amu ab; Beim b-Zerfall erhöht sich die Ladung des Kerns um 1e, die Masse ändert sich jedoch nicht.
Halbwertszeit eines Radionuklids- die Zeit, in der die Anzahl der Kerne eines bestimmten Radionuklids durch spontanen Zerfall um die Hälfte abnimmt.
Positron- ein Antiteilchen eines Elektrons mit einer Masse gleich der Masse des Elektrons, aber einer positiven elektrischen Ladung.
Proton- ein stabiles positiv geladenes Elementarteilchen mit einer Ladung von 1,61·10-19 C und einer Masse von 1,66·10-27 kg. Das Proton bildet den Kern eines „leichten“ Isotops des Wasserstoffatoms (Protium). Die Anzahl der Protonen im Kern eines Elements bestimmt die Ladung des Kerns und die Ordnungszahl dieses Elements.
Radioaktivität- spontane Umwandlung (radioaktiver Zerfall) eines instabilen Nuklids in ein anderes Nuklid, begleitet von der Emission ionisierender Strahlung.
Radioaktivität- die Fähigkeit einiger Atomkerne, sich spontan in andere Kerne umzuwandeln und dabei verschiedene Teilchen auszusenden.
Radioaktiver Zerfall- spontane nukleare Transformation.
Brutreaktor- ein schneller Reaktor, in dem der Umrechnungsfaktor 1 übersteigt und eine erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoff durchgeführt wird.
Geigerzähler(oder Geiger-Müller-Zähler) ist ein gasgefüllter Zähler geladener Elementarteilchen, dessen elektrisches Signal durch die sekundäre Ionisierung des Gasvolumens des Zählers verstärkt wird und nicht von der Energie abhängt, die das Teilchen darin hinterlässt Volumen.
Brennstoffelement- Brennstoffelement. Das Hauptstrukturelement des Kerns eines heterogenen Reaktors, in dessen Form Brennstoff geladen wird. In Brennelementen kommt es zu einer Spaltung der schweren Kerne U-235, Pu-239 oder U-233 unter Energiefreisetzung und die Übertragung von Wärmeenergie von ihnen auf das Kühlmittel. Brennelemente bestehen aus einem Brennstoffkern, einer Hülle und Endteilen. Die Art des Brennelements wird durch die Art und den Zweck des Reaktors sowie die Parameter des Kühlmittels bestimmt. Das Brennelement muss eine zuverlässige Wärmeabfuhr vom Brennstoff zum Kühlmittel gewährleisten.
Arbeitsorgan- Medium (Kühlmittel), das zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie verwendet wird.
Dunkle Materie− unsichtbare (nicht emittierende und nicht absorbierende) Substanz. Seine Existenz ist eindeutig durch Gravitationseffekte belegt. Beobachtungsdaten deuten auch darauf hin, dass diese dunkle Materie-Energie in zwei Teile geteilt ist:
- Die erste ist die sogenannte Dunkle Materie mit einer Dichte
W dm = 0,20–0,25, – unbekannte, schwach wechselwirkende massive Teilchen (keine Baryonen). Dies könnten beispielsweise stabile neutrale Teilchen mit Massen von 10 GeV/c2 bis 10 TeV/c2 sein, die durch supersymmetrische Modelle vorhergesagt werden, einschließlich hypothetischer schwerer Neutrinos;
die zweite ist die sogenannte dunkle Energie mit einer Dichte
W Λ = 0,70–0,75), was als Vakuum interpretiert wird. Damit ist eine besondere Form der Materie gemeint – das physikalische Vakuum, d.h. der niedrigste Energiezustand physikalischer Felder, die den Raum durchdringen.
Thermonukleare Reaktionen− Fusionsreaktionen (Synthese) leichter Kerne, die bei hohen Temperaturen auftreten. Bei diesen Reaktionen wird in der Regel Energie freigesetzt, da in dem durch die Verschmelzung entstehenden schwereren Kern die Nukleonen stärker gebunden sind, d. h. haben im Durchschnitt eine höhere Bindungsenergie als die ursprünglich verschmelzenden Kerne. Die überschüssige Gesamtbindungsenergie der Nukleonen wird in Form von kinetischer Energie der Reaktionsprodukte freigesetzt. Der Name „thermonukleare Reaktionen“ spiegelt die Tatsache wider, dass diese Reaktionen bei hohen Temperaturen ablaufen ( > 10 7 –10 8 K), da leichte Kerne für die Fusion in Abständen zusammenkommen müssen, die dem Wirkungsradius der nuklearen Anziehungskräfte entsprechen, d. h. bis zu Entfernungen von ≈10 -13 cm.
Transuranische Elemente− chemische Elemente mit einer größeren Ladung (Protonenzahl) als Uran, d. h. Z>92.
Spaltkettenreaktion- eine sich selbst erhaltende Spaltungsreaktion schwerer Kerne, bei der kontinuierlich Neutronen erzeugt werden, die immer mehr neue Kerne spalten.
Spaltkettenreaktion- der Ablauf der Spaltungsreaktion der Kerne schwerer Atome bei der Wechselwirkung mit Neutronen oder anderen Elementarteilchen, wodurch leichtere Kerne, neue Neutronen oder andere Elementarteilchen entstehen und Kernenergie freigesetzt wird.
Nukleare Kettenreaktion- eine Folge von Kernreaktionen, die durch Teilchen (z. B. Neutronen) angeregt werden, die bei jedem Reaktionsereignis entstehen. Abhängig von der durchschnittlichen Anzahl der auf eine vorherige Reaktion folgenden Reaktionen – kleiner, gleich oder größer als eins – wird die Reaktion als abklingend, selbsterhaltend oder zunehmend bezeichnet.
Nukleare Kettenreaktionen– sich selbst erhaltende Kernreaktionen, an denen nacheinander eine Kette von Kernen beteiligt ist. Dies geschieht, wenn eines der Produkte einer Kernreaktion mit einem anderen Kern reagiert, das Produkt einer zweiten Reaktion mit dem nächsten Kern reagiert und so weiter. Eine Kette von Kernreaktionen folgt nacheinander. Das bekannteste Beispiel einer solchen Reaktion ist die durch ein Neutron verursachte Kernspaltungsreaktion
Exotherme Reaktionen- Kernreaktionen, die unter Freisetzung von Energie ablaufen.
Elementarteilchen- die kleinsten Teilchen der physikalischen Materie. Vorstellungen über Elementarteilchen spiegeln den Erkenntnisstand der modernen Wissenschaft über die Struktur der Materie wider. Neben Antiteilchen wurden etwa 300 Elementarteilchen entdeckt. Der Begriff „Elementarteilchen“ ist bedingt, da viele Elementarteilchen eine komplexe innere Struktur haben.
Elementarteilchen– materielle Gegenstände, die nicht in ihre Bestandteile zerlegt werden können. Gemäß dieser Definition können Moleküle, Atome und Atomkerne, die in ihre Bestandteile zerlegt werden können, nicht als Elementarteilchen klassifiziert werden – ein Atom wird in einen Kern und Orbitalelektronen, ein Kern in Nukleonen unterteilt.
Energieabgabe einer Kernreaktion- der Unterschied zwischen den Ruheenergien von Kernen und Teilchen vor und nach der Reaktion.
Endotherme Reaktionen- Kernreaktionen, die unter Energieaufnahme ablaufen.
Bindungsenergie eines Atomkerns(E St) – charakterisiert die Intensität der Wechselwirkung von Nukleonen im Kern und entspricht der maximalen Energie, die aufgewendet werden muss, um den Kern in einzelne nicht wechselwirkende Nukleonen aufzuteilen, ohne ihnen kinetische Energie zu verleihen.
Mössb-Effekt Uaera - das Phänomen der resonanten Absorption von Gammaquanten durch Atomkerne ohne Energieverlust aufgrund der Impulsrückgabe.
Kernmodell (Planetenmodell) des Atoms- in der Mitte befindet sich ein positiv geladener Kern (Durchmesser etwa 10 -15 m); Um den Kern bewegen sich Elektronen wie die Planeten des Sonnensystems auf Kreisbahnen.
Nukleare Modelle– vereinfachte theoretische Beschreibungen von Atomkernen, basierend auf der Darstellung des Kerns als Objekt mit zuvor bekannten charakteristischen Eigenschaften.
Kernspaltungsreaktion- Reaktion der Spaltung von Atomkernen schwerer Elemente unter dem Einfluss von Neutronen.
Kernreaktion- die Reaktion der Umwandlung von Atomkernen infolge der Wechselwirkung untereinander oder mit beliebigen Elementarteilchen.
Atomkraft- das ist die Energie, die bei der inneren Umstrukturierung von Atomkernen freigesetzt wird. Kernenergie kann durch Kernreaktionen oder den radioaktiven Zerfall von Kernen gewonnen werden. Die Hauptquellen der Kernenergie sind Spaltungsreaktionen schwerer Kerne und Fusion (Verschmelzung) leichter Kerne. Letzterer Vorgang wird auch thermonukleare Reaktionen genannt.
Nukleare Kräfte- Kräfte, die zwischen Nukleonen in Atomkernen wirken und die Struktur und Eigenschaften von Kernen bestimmen. Sie haben eine geringe Reichweite, ihre Reichweite beträgt 10-15 m.
Kernreaktor- ein Gerät, in dem eine kontrollierte Kettenreaktion der Kernspaltung durchgeführt wird.
Eine sich selbst erhaltende Spaltkettenreaktion ist eine Kettenreaktion in einem Medium, für das der Multiplikationsfaktor k >= 1 ist.
Nuklearer Unfall- Ein nuklearer Unfall ist der Verlust der Kontrolle über die Kettenreaktion im Reaktor oder die Bildung einer kritischen Masse beim Umladen, Transport und Lagern von Brennelementen. Bei einem nuklearen Unfall kommt es aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen erzeugter und abgeführter Wärme zu einer Beschädigung der Brennstäbe unter Freisetzung radioaktiver Spaltprodukte. In diesem Fall ist eine gefährliche Exposition von Personen und eine Kontamination der Umgebung potenziell möglich. .
Nukleare Sicherheit- ein allgemeiner Begriff, der die Eigenschaften einer Kernanlage während des Normalbetriebs und im Falle eines Unfalls charakterisiert, um die Strahlenbelastung für Personal, Bevölkerung und Umwelt auf akzeptable Grenzen zu begrenzen.
Kernspaltung- ein Prozess, der mit der Spaltung des Kerns eines schweren Atoms bei der Wechselwirkung mit einem Neutron oder einem anderen Elementarteilchen einhergeht, wodurch leichtere Kerne, neue Neutronen oder andere Elementarteilchen entstehen und Energie freigesetzt wird.
Kernmaterial- jegliches Ausgangsmaterial, spezielles Kernmaterial und manchmal Erze und Erzabfälle.
Nukleare Transformation- Umwandlung eines Nuklids in ein anderes.
Kernreaktor- ein Gerät, in dem eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion stattfindet. Kernreaktoren werden nach Zweck, Neutronenenergie, Art des Kühlmittels und Moderators, Kernstruktur, Design und anderen charakteristischen Merkmalen klassifiziert.
Kernreaktion- Transformation von Atomkernen, die durch ihre Wechselwirkung mit Elementarteilchen oder untereinander verursacht wird und mit einer Änderung der Masse, Ladung oder des Energiezustands der Kerne einhergeht.
Kernbrennstoff- Material, das spaltbare Nuklide enthält und bei Einbringung in einen Kernreaktor eine nukleare Kettenreaktion auslösen kann. Es hat eine sehr hohe Energieintensität (bei der vollständigen Spaltung von 1 kg U-235 wird Energie in Höhe von J freigesetzt, während bei der Verbrennung von 1 kg organischem Brennstoff Energie in der Größenordnung von (3-5) J freigesetzt wird, je nachdem abhängig von der Art des Kraftstoffs).
Kernbrennstoffkreislauf- eine Reihe von Maßnahmen zur Gewährleistung des Funktionierens von Kernreaktoren, die in einem System von Unternehmen durchgeführt werden, die durch den Fluss von Kernmaterial miteinander verbunden sind und Uranbergwerke, Anlagen zur Verarbeitung von Uranerz, Uranumwandlung, Anreicherung und Brennstoffproduktion, Kernreaktoren und abgebrannte Brennelemente umfassen Lageranlagen, Wiederaufbereitungsanlagen für abgebrannte Brennelemente, Brennstoffe und zugehörige Zwischenlageranlagen sowie Anlagen zur Entsorgung radioaktiver Abfälle
Nukleare Installation- jede Anlage, in der radioaktives oder spaltbares Material in solchen Mengen erzeugt, verarbeitet oder gehandhabt wird, dass Fragen der nuklearen Sicherheit berücksichtigt werden müssen.
Atomkraft- innere Energie von Atomkernen, die bei Kernspaltung oder Kernreaktionen freigesetzt wird.
Kernkraftwerksreaktor- ein Kernreaktor, dessen Hauptzweck die Energieerzeugung ist.
Kernreaktor- Ein Kernreaktor ist ein Gerät, das eine kontrollierte, sich selbst erhaltende Spaltungskettenreaktion organisieren soll – eine Folge von Kernspaltungsreaktionen, bei denen freie Neutronen freigesetzt werden, die für die Spaltung neuer Kerne notwendig sind.
Kernreaktor mit schnellen Neutronen- Reaktoren unterscheiden sich erheblich im Spektrum der Neutronen – der Verteilung der Neutronen nach Energie und folglich im Spektrum der absorbierten (Kernspaltung verursachenden) Neutronen. Wenn der Kern keine leichten Kerne enthält, die speziell für die Moderation aufgrund elastischer Streuung ausgelegt sind, ist fast die gesamte Moderation auf die inelastische Streuung von Neutronen durch schwere und mittelschwere Kerne zurückzuführen. In diesem Fall werden die meisten Spaltungen durch Neutronen mit Energien in der Größenordnung von mehreren zehn und hundert KeV verursacht. Solche Reaktoren werden schnelle Neutronenreaktoren genannt.
Kernreaktor mit thermischen Neutronen- ein Reaktor, dessen Kern so viel Moderator enthält – ein Material, das die Energie von Neutronen reduzieren soll, ohne sie nennenswert zu absorbieren –, dass die meisten Spaltungen durch Neutronen mit Energien unter 1 eV verursacht werden.
Nukleare Kräfte- Kräfte, die Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Kern halten.
Nukleare Kräfte sind Kurzschauspiel . Sie erscheinen nur bei sehr geringen Abständen zwischen den Nukleonen im Kern in der Größenordnung von 10 -15 m. Die Länge wird (1,5 - 2,2) 10 -15 genannt Reichweite nuklearer Kräfte .
Atomstreitkräfte entdecken Ladungsunabhängigkeit , d. h. die Anziehung zwischen zwei Nukleonen ist unabhängig vom Ladungszustand der Nukleonen – Proton oder Neutron – gleich.
Atomstreitkräfte haben Sättigungseigenschaft , was sich darin äußert, dass ein Nukleon in einem Kern nur mit einer begrenzten Anzahl benachbarter Nukleonen wechselwirkt, die ihm am nächsten stehen. Im α-Teilchen, einem sehr stabilen Gebilde, wird eine nahezu vollständige Sättigung der Kernkräfte erreicht.
Nukleare Kräfte hängen von der Ausrichtung der Spins wechselwirkender Nukleonen ab . Dies wird durch die unterschiedliche Natur der Neutronenstreuung durch Ortho- und Wasserstoffdampfmoleküle bestätigt.
Nukleare Kräfte sind keine zentralen Kräfte .
- Übersetzung
Im Zentrum jedes Atoms befindet sich der Kern, eine winzige Ansammlung von Teilchen, die Protonen und Neutronen genannt werden. In diesem Artikel untersuchen wir die Natur von Protonen und Neutronen, die aus noch kleineren Teilchen bestehen – Quarks, Gluonen und Antiquarks. (Gluonen sind wie Photonen ihre eigenen Antiteilchen.) Quarks und Gluonen können unseres Wissens nach wirklich elementar sein (unteilbar und nicht aus etwas Kleinerem bestehend). Aber zu ihnen später.
Überraschenderweise haben Protonen und Neutronen nahezu die gleiche Masse – auf den Prozentpunkt genau:
- 0,93827 GeV/c 2 für das Proton,
- 0,93957 GeV/c 2 für ein Neutron.
Weil sie so ähnlich sind und weil diese Teilchen Kerne bilden, werden Protonen und Neutronen oft als Nukleonen bezeichnet.
Protonen wurden um 1920 identifiziert und beschrieben (obwohl sie schon früher entdeckt wurden; der Kern eines Wasserstoffatoms besteht nur aus einem einzelnen Proton), und Neutronen wurden um 1933 entdeckt. Es wurde fast sofort erkannt, dass Protonen und Neutronen einander so ähnlich sind. Dass sie jedoch eine messbare Größe haben, die mit der Größe eines Kerns vergleichbar ist (der Radius ist etwa 100.000 Mal kleiner als der eines Atoms), wurde erst 1954 bekannt. Dass sie aus Quarks, Antiquarks und Gluonen bestehen, wurde von Mitte der 1960er bis Mitte der 1970er Jahre allmählich verstanden. In den späten 70er und frühen 80er Jahren hatte sich unser Verständnis von Protonen und Neutronen und ihrer Zusammensetzung weitgehend gefestigt und ist seitdem unverändert geblieben.
Nukleonen sind viel schwieriger zu beschreiben als Atome oder Kerne. Damit will ich nicht sagen, dass Atome im Prinzip einfach sind, aber man kann zumindest ohne nachzudenken sagen, dass ein Heliumatom aus zwei Elektronen besteht, die einen winzigen Heliumkern umkreisen; und der Heliumkern ist eine ziemlich einfache Gruppe aus zwei Neutronen und zwei Protonen. Aber bei Nukleonen ist nicht alles so einfach. Ich habe bereits im Artikel „Was ist ein Proton und was ist darin?“ geschrieben, dass ein Atom wie ein elegantes Menuett und ein Nukleon wie eine wilde Party ist.
Die Komplexität des Protons und Neutrons scheint echt zu sein und beruht nicht auf unvollständigen Kenntnissen der Physik. Wir haben Gleichungen zur Beschreibung von Quarks, Antiquarks und Gluonen sowie der starken Kernwechselwirkungen, die zwischen ihnen auftreten. Diese Gleichungen werden aus der Quantenchromodynamik QCD genannt. Die Genauigkeit der Gleichungen kann auf verschiedene Weise getestet werden, unter anderem durch Messung der Anzahl der am Large Hadron Collider erzeugten Teilchen. Indem wir die QCD-Gleichungen in einen Computer einbinden und Berechnungen zu den Eigenschaften von Protonen, Neutronen und anderen ähnlichen Teilchen (zusammen „Hadronen“ genannt) durchführen, erhalten wir Vorhersagen über die Eigenschaften dieser Teilchen, die den in der realen Welt gemachten Beobachtungen sehr nahe kommen. Daher haben wir Grund zu der Annahme, dass die QCD-Gleichungen nicht lügen und dass unser Wissen über Protonen und Neutronen auf den korrekten Gleichungen basiert. Aber nur die richtigen Gleichungen zu haben, reicht nicht aus, denn:
- Einfache Gleichungen können sehr komplexe Lösungen haben,
- Manchmal ist es unmöglich, komplexe Entscheidungen auf einfache Weise zu beschreiben.
Aufgrund der inhärenten Komplexität von Nukleonen müssen Sie als Leser eine Entscheidung treffen: Wie viel möchten Sie über die beschriebene Komplexität wissen? Egal wie weit Sie gehen, es wird Ihnen höchstwahrscheinlich keine Befriedigung bringen: Je mehr Sie lernen, desto klarer wird das Thema, aber die endgültige Antwort wird dieselbe bleiben – Proton und Neutron sind sehr komplex. Ich kann Ihnen mit zunehmender Detailliertheit drei Ebenen des Verständnisses anbieten; Sie können nach jedem Level aufhören und zu anderen Themen übergehen, oder Sie können bis zum letzten eintauchen. Jedes Level wirft Fragen auf, die ich im nächsten teilweise beantworten kann, aber neue Antworten werfen neue Fragen auf. Letztendlich kann ich Sie – wie auch in Fachgesprächen mit Kollegen und fortgeschrittenen Studierenden – nur auf Daten aus realen Experimenten, auf verschiedene einflussreiche theoretische Argumente und Computersimulationen verweisen.
Erste Ebene des Verstehens
Woraus bestehen Protonen und Neutronen?Reis. 1: eine stark vereinfachte Version von Protonen, bestehend aus nur zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, und Neutronen, bestehend aus nur zwei Down-Quarks und einem Up-Quark
Der Einfachheit halber weisen viele Bücher, Artikel und Websites darauf hin, dass Protonen aus drei Quarks bestehen (zwei Up-Quarks und ein Down-Quark) und zeichnen etwa Folgendes: 1. Das Neutron ist dasselbe, besteht nur aus einem Up- und zwei Down-Quarks. Dieses einfache Bild veranschaulicht, was einige Wissenschaftler glaubten, vor allem in den 1960er Jahren. Es stellte sich jedoch bald heraus, dass dieser Standpunkt so stark vereinfacht war, dass er nicht mehr korrekt war.
Aus anspruchsvolleren Informationsquellen erfahren Sie, dass Protonen aus drei Quarks (zwei oben und einer unten) bestehen, die durch Gluonen zusammengehalten werden – und es könnte sich ein ähnliches Bild wie in Abb. 1 ergeben. 2, wo Gluonen als Federn oder Schnüre dargestellt sind, die Quarks halten. Neutronen sind gleich, nur mit einem Up-Quark und zwei Down-Quarks.
Reis. 2: Verbesserung Abb. 1 aufgrund der Betonung der wichtigen Rolle der starken Kernkraft, die Quarks im Proton hält
Dies ist keine so schlechte Art, Nukleonen zu beschreiben, da sie die wichtige Rolle der starken Kernkraft hervorhebt, die Quarks auf Kosten von Gluonen in einem Proton hält (genau wie das Photon, das Teilchen, aus dem Licht besteht). die elektromagnetische Kraft). Aber das ist auch verwirrend, weil es nicht wirklich erklärt, was Gluonen sind oder was sie tun.
Es gibt Gründe, die Dinge so zu beschreiben, wie ich es getan habe: Ein Proton besteht aus drei Quarks (zwei Up- und eines Down-Quarks), einer Reihe von Gluonen und einem Berg von Quark-Antiquark-Paaren (hauptsächlich Up- und Down-Quarks, aber es gibt auch ein paar seltsame). Sie fliegen alle mit sehr hoher Geschwindigkeit (annähernd Lichtgeschwindigkeit) hin und her; Dieser gesamte Komplex wird durch die starke Atomkraft zusammengehalten. Ich habe dies in Abb. demonstriert. 3. Neutronen sind wieder die gleichen, aber mit einem Up- und zwei Down-Quarks; Das Quark, das seine Identität geändert hat, ist durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Reis. 3: realistischere, wenn auch immer noch unvollkommene Darstellung von Protonen und Neutronen
Diese Quarks, Antiquarks und Gluonen rasen nicht nur wild hin und her, sondern kollidieren auch miteinander und verwandeln sich durch Prozesse wie die Teilchenvernichtung (bei der sich ein Quark und ein Antiquark des gleichen Typs in zwei Gluonen verwandeln). oder umgekehrt) oder Absorption und Emission eines Gluons (wobei ein Quark und ein Gluon kollidieren und ein Quark und zwei Gluonen erzeugen können oder umgekehrt).
Was haben diese drei Beschreibungen gemeinsam:
- Zwei Up-Quarks und ein Down-Quark (plus etwas anderes) für ein Proton.
- Das Neutron hat ein Up-Quark und zwei Down-Quarks (und noch etwas anderes).
- Das „Etwas Anderes“ der Neutronen fällt mit dem „Etwas Anderes“ der Protonen zusammen. Das heißt, die Nukleonen haben dasselbe „etwas anderes“.
- Der geringe Massenunterschied zwischen Proton und Neutron ist auf den Unterschied in den Massen des Down-Quarks und des Up-Quarks zurückzuführen.
- Für Top-Quarks beträgt die elektrische Ladung 2/3 e (wobei e die Ladung eines Protons und -e die Ladung eines Elektrons ist).
- Bottom-Quarks haben eine Ladung von -1/3e,
- Gluonen haben eine Ladung von 0,
- Jedes Quark und sein entsprechendes Antiquark haben eine Gesamtladung von 0 (zum Beispiel hat ein Antidown-Quark eine Ladung von +1/3e, also haben ein Down-Quark und ein Down-Quark eine Ladung von –1/3 e +1/3 e = 0),
- die gesamte elektrische Ladung des Protons beträgt 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- Die gesamte elektrische Ladung des Neutrons beträgt 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- wie viel „etwas anderes“ sich im Nukleon befindet,
- was macht es da?
- Woher kommt die Masse und Massenenergie (E = mc 2, die Energie, die dort auch im Ruhezustand des Teilchens vorhanden ist) des Nukleons?
Reis. 1 besagt, dass Quarks im Wesentlichen ein Drittel eines Nukleons ausmachen, ähnlich wie ein Proton oder Neutron ein Viertel eines Heliumkerns oder ein Zwölftel eines Kohlenstoffkerns ausmacht. Wenn dieses Bild wahr wäre, würden sich die Quarks im Nukleon relativ langsam bewegen (mit Geschwindigkeiten, die viel geringer als die Lichtgeschwindigkeit sind), wobei relativ schwache Wechselwirkungen zwischen ihnen wirken (wenn auch mit einer starken Kraft, die sie an Ort und Stelle hält). Die Masse des Quarks läge dann nach oben und unten in der Größenordnung von 0,3 GeV/c 2 , etwa einem Drittel der Masse des Protons. Aber dieses einfache Bild und die Vorstellungen, die es aufdrängt, sind einfach falsch.
Reis. 3. vermittelt eine ganz andere Vorstellung vom Proton, als einem Kessel aus Teilchen, die darin mit Geschwindigkeiten nahe dem Licht umherhuschen. Diese Teilchen kollidieren miteinander und bei diesen Kollisionen werden einige von ihnen vernichtet und an ihrer Stelle andere entstehen. Gluonen haben keine Masse, die Massen der Top-Quarks liegen in der Größenordnung von 0,004 GeV/c 2 und die Massen der Bottom-Quarks liegen in der Größenordnung von 0,008 GeV/c 2 – hundertmal weniger als ein Proton. Woher die Energie der Protonenmasse kommt, ist eine komplexe Frage: Ein Teil davon stammt aus der Energie der Masse von Quarks und Antiquarks, ein Teil aus der Bewegungsenergie von Quarks, Antiquarks und Gluonen und ein Teil (möglicherweise positiv, vielleicht negativ). ) aus der in der starken Kernwechselwirkung gespeicherten Energie, die Quarks, Antiquarks und Gluonen zusammenhält.
In gewisser Weise ist Abb. 2 Versuche, den Unterschied zwischen Abb. 1 und Abb. 3. Es vereinfacht die Abbildung. 3, Entfernen vieler Quark-Antiquark-Paare, die im Prinzip als kurzlebig bezeichnet werden können, da sie ständig erscheinen und verschwinden und nicht notwendig sind. Aber es entsteht der Eindruck, dass die Gluonen in den Nukleonen ein direkter Teil der starken Kernkraft sind, die die Protonen zusammenhält. Und es erklärt nicht, woher die Masse des Protons kommt.
In Abb. 1 gibt es neben den schmalen Rahmen des Protons und Neutrons noch einen weiteren Nachteil. Es erklärt nicht einige Eigenschaften anderer Hadronen, zum Beispiel des Pions und des Rho-Mesons. Abb. hat die gleichen Probleme. 2.
Diese Einschränkungen führten dazu, dass ich meinen Schülern und auf meiner Website das Bild aus Abb. 3. Ich möchte Sie jedoch warnen, dass es auch viele Einschränkungen gibt, auf die ich später noch eingehen werde.
Es ist erwähnenswert, dass die extreme Komplexität der Struktur, die Abb. 3 wäre von einem Objekt zu erwarten, das von einer so starken Kraft wie der starken Kernkraft zusammengehalten wird. Und noch etwas: Drei Quarks (zwei oben und einer unten für ein Proton), die nicht Teil einer Gruppe von Quark-Antiquark-Paaren sind, werden oft als „Valenzquarks“ bezeichnet, und Quark-Antiquark-Paare werden als „Meer von“ bezeichnet Quarkpaare“. Eine solche Sprache ist in vielen Fällen technisch praktisch. Aber es erweckt den falschen Eindruck, dass man, wenn man in das Innere eines Protons und auf ein bestimmtes Quark schauen könnte, sofort erkennen könnte, ob es Teil des Meeres oder eines Valenzquarks ist. Das geht nicht, es gibt einfach keine solche Möglichkeit.
Protonenmasse und Neutronenmasse
Da die Massen von Proton und Neutron so ähnlich sind und sich Proton und Neutron nur durch den Ersatz des Up-Quarks durch das Down-Quark unterscheiden, ist es wahrscheinlich, dass ihre Massen auf die gleiche Weise bereitgestellt werden und aus derselben Quelle stammen , und ihr Unterschied liegt im geringfügigen Unterschied zwischen den Up- und Down-Quarks. Die drei obigen Abbildungen weisen jedoch darauf hin, dass es drei sehr unterschiedliche Ansichten über den Ursprung der Protonenmasse gibt.Reis. 1 besagt, dass die Up- und Down-Quarks lediglich 1/3 der Masse von Proton und Neutron ausmachen: in der Größenordnung von 0,313 GeV/c 2 oder aufgrund der Energie, die erforderlich ist, um die Quarks im Proton zu halten. Und da der Unterschied zwischen den Massen eines Protons und eines Neutrons einen Bruchteil eines Prozents beträgt, muss der Unterschied zwischen den Massen eines Up- und Down-Quarks ebenfalls einen Bruchteil eines Prozents betragen.
Reis. 2 ist weniger klar. Wie viel Masse eines Protons ist auf Gluonen zurückzuführen? Aber im Prinzip folgt aus der Abbildung, dass der größte Teil der Protonenmasse immer noch aus der Masse der Quarks stammt, wie in Abb. 1.
Reis. 3 spiegelt einen differenzierteren Ansatz wider, wie die Masse des Protons tatsächlich zustande kommt (wie wir direkt durch Computerberechnungen des Protons und indirekt mithilfe anderer mathematischer Methoden testen können). Es unterscheidet sich stark von den in Abb. dargestellten Ideen. 1 und 2, und es stellt sich heraus, dass es nicht so einfach ist.
Um zu verstehen, wie das funktioniert, müssen Sie nicht an die Masse m des Protons denken, sondern an seine Massenenergie E = mc 2 , die mit der Masse verbundene Energie. Konzeptionell lautet die richtige Frage nicht „Woher kommt die Masse des Protons m?“ Danach kann man E berechnen, indem man m mit c 2 multipliziert, sondern umgekehrt: „Woher kommt die Energie der Protonenmasse E?“ ” Danach können Sie die Masse m berechnen, indem Sie E durch c 2 dividieren.
Es ist sinnvoll, die Beiträge zur Protonenmassenenergie in drei Gruppen einzuteilen:
A) Massenenergie (Ruheenergie) der darin enthaltenen Quarks und Antiquarks (Gluonen, masselose Teilchen, liefern keinen Beitrag).
B) Bewegungsenergie (kinetische Energie) von Quarks, Antiquarks und Gluonen.
C) Wechselwirkungsenergie (Bindungsenergie oder potentielle Energie), die in der starken Kernwechselwirkung (genauer gesagt in den Gluonenfeldern) gespeichert ist und das Proton hält.
Reis. 3 besagt, dass sich die Teilchen im Inneren des Protons mit hoher Geschwindigkeit bewegen und dass es voller masseloser Gluonen ist, sodass der Beitrag von B) größer ist als der von A). Typischerweise erweisen sich in den meisten physikalischen Systemen B) und C) als vergleichbar, während C) oft negativ ist. Die Massenenergie des Protons (und des Neutrons) ergibt sich also hauptsächlich aus der Kombination von B) und C), wobei A) einen kleinen Anteil beisteuert. Daher erscheinen die Massen von Protonen und Neutronen hauptsächlich nicht aufgrund der Massen der darin enthaltenen Teilchen, sondern aufgrund der Bewegungsenergien dieser Teilchen und der Energie ihrer Wechselwirkung, die mit den Gluonenfeldern verbunden ist, die die Kräfte erzeugen, die sie halten Proton. In den meisten anderen uns bekannten Systemen ist die Energiebilanz anders verteilt. Beispielsweise dominiert in Atomen und im Sonnensystem A) und B) und C) sind viel kleiner und in ihrer Größe vergleichbar.
Zusammenfassend weisen wir darauf hin:
- Reis. 1 geht davon aus, dass die Protonenmassenenergie aus dem Beitrag A) stammt.
- Reis. 2 geht davon aus, dass beide Beiträge A) und B) wichtig sind, wobei B) einen kleinen Beitrag leistet.
- Reis. 3 legt nahe, dass B) und C) wichtig sind, und der Beitrag von A) erweist sich als unbedeutend.
Wenn Abb. 3 lügt nicht, die Massen von Quark und Antiquark sind sehr klein. Wie sind sie wirklich? Die Masse des Top-Quarks (wie auch des Antiquarks) überschreitet nicht 0,005 GeV/c 2, was viel weniger als 0,313 GeV/c 2 ist, was aus Abb. 1. (Die Masse des Up-Quarks ist schwer zu messen und variiert aufgrund subtiler Effekte, daher kann sie viel weniger als 0,005 GeV/c2 betragen.) Die Masse des Bottom-Quarks ist etwa 0,004 GeV/s 2 größer als die Masse des Top-Quarks. Das bedeutet, dass die Masse eines Quarks oder Antiquarks ein Prozent der Masse eines Protons nicht überschreitet.
Beachten Sie, dass dies (im Gegensatz zu Abb. 1) bedeutet, dass das Verhältnis der Down-Quark- zur Up-Quark-Masse nicht annähernd eins ist! Die Masse des Down-Quarks ist mindestens doppelt so groß wie die Masse des Up-Quarks. Der Grund dafür, dass die Massen des Neutrons und des Protons so ähnlich sind, liegt nicht darin, dass die Massen der Up- und Down-Quarks ähnlich sind, sondern darin, dass die Massen der Up- und Down-Quarks sehr klein sind – und der Unterschied zwischen ihnen relativ gering ist zu den Massen des Protons und Neutrons. Denken Sie daran, dass Sie zur Umwandlung eines Protons in ein Neutron lediglich eines seiner Up-Quarks durch ein Down-Quark ersetzen müssen (Abbildung 3). Dieser Ersatz reicht aus, um das Neutron etwas schwerer als das Proton zu machen und seine Ladung von +e auf 0 zu ändern.
Übrigens hat die Tatsache, dass die verschiedenen Teilchen im Inneren des Protons miteinander kollidieren und ständig auftauchen und verschwinden, keinen Einfluss auf die Dinge, über die wir sprechen – bei jeder Kollision bleibt Energie erhalten. Die Massenenergie und die Bewegungsenergie von Quarks und Gluonen können sich ändern, ebenso wie die Energie ihrer Wechselwirkung, aber die Gesamtenergie des Protons ändert sich nicht, obwohl sich alles in ihm ständig ändert. Die Masse des Protons bleibt also trotz seines inneren Wirbels konstant.
An diesem Punkt können Sie innehalten und die erhaltenen Informationen aufnehmen. Toll! Praktisch die gesamte in gewöhnlicher Materie enthaltene Masse stammt aus der Masse der Nukleonen in Atomen. Und der größte Teil dieser Masse stammt aus dem Chaos, das dem Proton und Neutron innewohnt – aus der Bewegungsenergie der Quarks, Gluonen und Antiquarks in Nukleonen und aus der Energie der starken Kernwechselwirkungen, die das Nukleon in seinem gesamten Zustand halten. Ja: Unser Planet, unsere Körper, unser Atem sind das Ergebnis solch eines ruhigen und bis vor Kurzem unvorstellbaren Chaos.
Zunächst muss man verstehen, dass es vier verschiedene Arten der freigesetzten Energie gibt:
1) chemische Energie, die unsere Autos sowie die meisten Geräte der modernen Zivilisation antreibt;
2) Kernspaltungsenergie, mit der etwa 15 % des von uns verbrauchten Stroms erzeugt werden;
3) die Energie der heißen Kernfusion, die die Sonne und die meisten Sterne antreibt;
4) Kalte Kernfusionsenergie, die von einigen Experimentatoren in Laborstudien beobachtet wird und deren Existenz von den meisten Wissenschaftlern abgelehnt wird.
Die Menge der freigesetzten Kernenergie (Wärme pro Pfund Brennstoff) ist bei allen drei Arten 10 Millionen Mal größer als die der chemischen Energie. Wie unterscheiden sich diese Energiearten? Um diese Problematik zu verstehen, sind einige Kenntnisse in Chemie und Physik erforderlich.
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Die Natur hat uns zwei Arten stabil geladener Teilchen gegeben: Protonen und Elektronen. Ein Proton ist ein schweres, meist sehr kleines, positiv geladenes Teilchen. Das Elektron ist normalerweise leicht, groß, hat unscharfe Grenzen und eine negative Ladung. Positive und negative Ladungen ziehen sich gegenseitig an, so wie der Nordpol eines Magneten den Südpol anzieht. Wenn ein Magnet mit seinem Nordpol in die Nähe des Südpols eines anderen Magneten gebracht wird, kollidieren diese. Bei der Kollision wird eine kleine Energiemenge in Form von Wärme freigesetzt, die jedoch zu gering ist, um einfach gemessen zu werden. Um die Magnete zu trennen, müssen Sie Arbeit verrichten, also Energie aufwenden. Es ist ungefähr so, als würde man einen Stein wieder einen Hügel hinaufheben.
Wenn man einen Stein einen Hügel hinunterrollt, entsteht eine kleine Menge Wärme, aber das Wiederanheben des Steins erfordert Energie.
Ebenso kollidiert die positive Ladung eines Protons mit der negativen Ladung eines Elektrons, sie „kleben zusammen“ und setzen Energie frei. Das Ergebnis ist ein Wasserstoffatom mit der Bezeichnung H. Ein Wasserstoffatom ist nichts anderes als ein unscharfes Elektron, das ein kleines Proton umhüllt. Wenn man ein Elektron aus einem Wasserstoffatom herausschlägt, erhält man ein positiv geladenes H+-Ion, das nichts anderes als das ursprüngliche Proton ist. Als „Ion“ bezeichnet man ein Atom oder Molekül, das ein oder mehrere Elektronen verloren oder gewonnen hat und daher nicht mehr neutral ist.
Wie Sie wissen, gibt es in der Natur mehr als eine Atomart. Wir haben Sauerstoffatome, Stickstoffatome, Eisenatome, Heliumatome und andere. Wie unterscheiden sie sich alle? Sie alle haben unterschiedliche Arten von Kernen und alle Kerne enthalten eine unterschiedliche Anzahl an Protonen, was bedeutet, dass sie unterschiedliche positive Ladungen haben. Der Heliumkern enthält 2 Protonen, hat also eine Ladung von plus 2, und um die Ladung zu neutralisieren, sind 2 Elektronen erforderlich. Wenn zwei Elektronen daran „kleben“, entsteht ein Heliumatom. Der Sauerstoffkern enthält 8 Protonen und hat eine Ladung von 8. Wenn 8 Elektronen daran „haften“, entsteht ein Sauerstoffatom. Ein Stickstoffatom hat 7 Elektronen, ein Eisenatom etwa 26. Der Aufbau aller Atome ist jedoch ungefähr gleich: ein kleiner, positiv geladener Kern, der sich in einer Wolke diffuser Elektronen befindet. Der Größenunterschied zwischen Kern und Elektronen ist enorm.
Der Durchmesser der Sonne beträgt nur das Hundertfache des Erddurchmessers. Der Durchmesser der Elektronenwolke in einem Atom ist 100.000-mal größer als der Durchmesser des Kerns. Um den Volumenunterschied zu ermitteln, müssen Sie diese Zahlen in ein Würfelbild setzen.
Jetzt sind wir bereit zu verstehen, was chemische Energie ist. Da die Atome elektrisch neutral sind, können sie sich tatsächlich miteinander verbinden und so mehr Energie freisetzen. Mit anderen Worten: Sie können eine Verbindung zu stabileren Konfigurationen herstellen. Die bereits im Atom befindlichen Elektronen versuchen, sich so zu verteilen, dass sie möglichst nah an den Kern herankommen, benötigen aber aufgrund ihrer diffusen Natur einen gewissen Raum. Wenn sie sich jedoch mit Elektronen eines anderen Atoms verbinden, bilden sie normalerweise eine engere Konfiguration und können so näher an die Kerne heranrücken. Beispielsweise können sich zwei Wasserstoffatome zu einer kompakteren Konfiguration verbinden, wenn jedes Wasserstoffatom sein Elektron an eine Wolke aus zwei Elektronen abgibt, die sich zwei Protonen teilen.
Somit bilden sie eine Gruppe bestehend aus zwei Elektronen in einer einzigen Wolke und zwei Protonen, die durch Raum voneinander getrennt sind, sich aber dennoch innerhalb der Elektronenwolke befinden. Dadurch kommt es zu einer chemischen Reaktion unter Freisetzung von Wärme: H + H => H G (Das Zeichen „=>“ bedeutet „verwandelt sich in“ oder „wird“). Die H2-Konfiguration ist ein Wasserstoffmolekül; Wenn Sie eine Flasche Wasserstoff kaufen, erhalten Sie nichts weiter als H-Moleküle. Darüber hinaus können zwei H 2 -Elektronen und 8 Elektronen eines O-Atoms durch die Kombination eine noch kompaktere Konfiguration bilden – ein Wassermolekül HO plus Wärme. In Wirklichkeit ist ein Wassermolekül eine einzelne Elektronenwolke, in deren Inneren sich drei Punktkerne befinden. Ein solches Molekül ist die Konfiguration mit minimaler Energie.
Wenn wir also Öl oder Kohle verbrennen, verteilen wir Elektronen neu. Dies führt zur Bildung stabilerer Konfigurationen von Punktkernen innerhalb von Elektronenwolken und geht mit der Freisetzung von Wärme einher. Das liegt in der Natur der chemischen Energie.
In der vorherigen Diskussion haben wir einen Punkt übersehen. Warum enthalten Kerne in der Natur zunächst zwei oder mehr Protonen? Jedes Proton hat eine positive Ladung, und wenn der Abstand zwischen den positiven Ladungen so klein ist, dass er mit dem Raum um den Kern herum vergleichbar ist, stoßen sie sich gegenseitig stark ab. Die Abstoßung gleicher Ladungen ähnelt der Abstoßung, die zwischen den Nordpolen zweier Magnete auftritt, wenn versucht wird, diese falsch anzuschließen. Es muss etwas geben, das diese Abstoßung überwindet, sonst gäbe es nur Wasserstoffatome. Glücklicherweise sehen wir, dass dies nicht der Fall ist.
Es gibt eine andere Art von Kraft, die auf das Proton wirkt. Das ist Atomkraft. Da es sehr groß ist, werden die Partikel fast übereinander festgehalten. Darüber hinaus gibt es eine zweite Art schwerer Teilchen, die sich vom Proton nur dadurch unterscheidet, dass sie weder eine positive noch eine negative Ladung besitzt. Sie werden durch die positive Ladung des Protons nicht abgestoßen. Diese Teilchen werden „Neutronen“ genannt, weil sie elektrisch neutral sind. Die Besonderheit besteht darin, dass der unveränderte Zustand von Teilchen nur innerhalb des Kerns möglich ist. Sobald sich das Teilchen außerhalb des Kerns befindet, verwandelt es sich innerhalb von etwa 10 Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein sehr leichtes Antineutrino. Im Inneren des Kerns kann es jedoch beliebig lange unverändert bleiben. Wie dem auch sei, Neutron und Proton werden sehr stark voneinander angezogen. Bei ausreichender Annäherung verbinden sie sich und bilden ein sehr starkes Paar, das sogenannte Deuteron, das mit D+ bezeichnet wird. Ein einzelnes Deuteron verbindet sich mit einem einzelnen Elektron und bildet ein Atom aus schwerem Wasserstoff oder Deuterium mit der Bezeichnung D.
Die zweite Kernreaktion findet statt, wenn zwei Deuteronen interagieren. Wenn zwei Deuteronen zur Wechselwirkung gezwungen werden, verbinden sie sich zu einem Teilchen mit doppelter Ladung. Eine Gruppe aus zwei Protonen und zwei Neutronen ist noch stabiler als die Proton-Neutron-Gruppe in einem Deuteron. Das durch zwei Elektronen neutralisierte neue Teilchen wird zum Kern eines Heliumatoms, das als He bezeichnet wird. In der Natur gibt es auch große Gruppen, die Kerne von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Eisen und anderen Atomen sind. Die Existenz all dieser Gruppen ist aufgrund der Kernkraft möglich, die zwischen Teilchen entsteht, wenn sie miteinander interagieren oder sich ein Gesamtraumvolumen teilen, das der Größe des Kerns entspricht.
Wir können jetzt die Natur der gewöhnlichen Kernenergie verstehen, bei der es sich eigentlich um Kernspaltungsenergie handelt. Im Laufe der frühen Geschichte des Universums entstanden massereiche Sterne. Als solch massereiche Sterne explodierten, bildeten sich viele Arten von Kernen, die wiederum in den Weltraum explodierten. Aus dieser Masse entstanden Planeten und Sterne, darunter auch die Sonne.
Es ist möglich, dass während der Explosion alle möglichen stabilen Konfigurationen von Protonen und Neutronen sowie praktisch stabile Gruppen wie der Urankern entstanden sind. Tatsächlich gibt es drei Arten von Uran-Atomkernen: Uran-234, Uran-235 und Uran-238. Diese „Isotope“ unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen, enthalten jedoch alle 92 Protonen. Die Kerne jeder Art von Uranatomen können sich durch das Entweichen von Heliumkernen in Konfigurationen mit niedrigerer Energie ändern. Dieser Prozess findet jedoch so selten statt, dass terrestrisches Uran seine Eigenschaften etwa 4 Milliarden Jahre lang behält.
Es gibt jedoch eine andere Möglichkeit, die Konfiguration des Urankerns zu stören. Im Allgemeinen sind Gruppen von Protonen und Neutronen am stabilsten, wenn sie etwa 60 Protonen-Neutronen-Paare enthalten. Die Anzahl solcher Paare im Urankern ist dreimal so hoch. Dadurch neigt es dazu, in zwei Teile aufzuspalten und dabei viel Wärme freizusetzen. Die Natur erlaubt jedoch keine Trennung. Dazu muss es zunächst in eine höhere Energiekonfiguration übergehen. Allerdings erhält eine Uranart – Uran-235, bezeichnet als 235 U – die nötige Energie durch den Einfang eines Neutrons. Nachdem der Kern auf diese Weise die notwendige Energie erhalten hat, zerfällt er, wobei eine große Menge Energie freigesetzt wird und zusätzliche Neutronen freigesetzt werden. Diese zusätzlichen Neutronen können wiederum die Uran-235-Kerne spalten, was zu einer Kettenreaktion führt.
Genau das passiert in Kernkraftwerken, wo die Wärme des Kernzerfalls dazu genutzt wird, Wasser zum Kochen zu bringen, Dampf zu erzeugen und einen Stromgenerator anzutreiben. (Der Nachteil dieser Methode ist die Freisetzung radioaktiver Abfälle, die sicher entsorgt werden müssen.)
Wir sind nun bereit, das Wesen der heißen Kernfusion zu verstehen. Wie in Lektion 5 besprochen, sind Gruppierungen von Protonen und Neutronen am stabilsten, wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen ungefähr der Anzahl im Kern des Eisenatoms entspricht. Ebenso wie Uran, das normalerweise zu viele Neutronen-Protonen-Paare enthält, enthalten leichte Elemente wie Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff zu wenige solcher Paare.
Wenn die notwendigen Bedingungen für die Wechselwirkung dieser Kerne geschaffen werden, vereinigen sie sich unter Freisetzung von Wärme zu stabileren Gruppen. So läuft der Syntheseprozess ab. Es kommt natürlicherweise in Sternen wie der Sonne vor. In der Natur wird komprimierter Wasserstoff sehr heiß und nach einiger Zeit kommt es zu einer Synthesereaktion. Würde der Prozess zunächst mit Deuteronen ablaufen, die bereits verdoppelte Protonen und Neutronen enthalten, würden die Reaktionen in Sternen relativ problemlos ablaufen. Die Geschwindigkeit, mit der sich ein bestimmter Atomtyp innerhalb einer Wolke ähnlicher Atome bewegt, hängt direkt von der Temperatur ab. Je höher die Temperatur, desto höher die Geschwindigkeit und desto näher sind die Atome beieinander, sodass es zu einer sofortigen Kollision kommt.
In Sternen ist die Temperatur so hoch, dass Elektronen aus dem Kern entweichen können. Wir können also sagen, dass wir es in Wirklichkeit mit einer gemischten Wolke aus Elektronen und Kernen zu tun haben. Bei sehr hohen Temperaturen sind die Kerne im Moment der Kollision so nahe beieinander, dass die Kernkraft aktiviert wird und sie zueinander anzieht. Dadurch können die Kerne „zusammenkleben“ und sich in eine energieärmere Gruppe von Protonen und Neutronen verwandeln, die Wärme freisetzen. Die heiße Kernfusion ist ein Versuch, diesen Prozess im Labor unter Verwendung von Deuterium und ternärem Wasserstoff (dessen Kern 1 Proton und 2 Neutronen enthält) als Gas durchzuführen. Bei der Heißfusion müssen Gastemperaturen von Hunderten Millionen Grad aufrechterhalten werden, was mit einem Magnetfeld erreicht werden kann, allerdings nur für 1–2 Sekunden. Es besteht die Hoffnung, dass die Temperatur des Gases über einen längeren Zeitraum gehalten werden kann. Solange die Temperatur hoch genug ist, kommt es zu einer Kernreaktion, wenn Kerne kollidieren.
Die Hauptform der Energiefreisetzung ist die Freisetzung energiereicher Neutronen und Protonen. Protonen werden sehr schnell in Wärme umgewandelt. Neutronenenergie kann auch in Wärme umgewandelt werden, allerdings wird das Gerät danach radioaktiv. Die Dekontamination von Geräten scheint sehr schwierig zu sein, sodass die Heißfusion als Methode zur kommerziellen Energieerzeugung nicht geeignet ist. Auf jeden Fall ist die heiße Fusionsenergie ein Traum, den es schon seit mindestens 50 Jahren gibt. Die meisten Wissenschaftler betrachten die Heiße Fusion jedoch als die einzige Möglichkeit, Fusionsenergie zu erzeugen. Der Prozess der heißen Fusion erzeugt weniger Strahlung als die Spaltung, sie ist eine umweltfreundliche und praktisch unbegrenzte Brennstoffquelle auf der Erde (bezogen auf den modernen Energieverbrauch würde sie für viele Millionen Jahre reichen).
Abschließend kommen wir zur Erklärung der Kaltfusion. Kalte Fusion könnte eine einfache und nicht radioaktive Möglichkeit sein, Fusionsenergie freizusetzen. Bei der Kalten Fusion interagieren die Protonen und Neutronen eines Kerns auf völlig andere Weise mit den Protonen und Neutronen eines anderen.
Gleichzeitig hilft ihnen die Kernkraft dabei, eine stabilere Konfiguration zu bilden. Für jede Kernreaktion ist es notwendig, dass die reagierenden Kerne ein gemeinsames Raumvolumen haben. Diese Anforderung wird als Partikelausrichtung bezeichnet. Bei der heißen Fusion erfolgt die Verbindung von Teilchen für kurze Zeit, wenn die Abstoßungskraft zweier positiver Ladungen überwunden wird und die Kerne kollidieren. Bei der Kaltfusion wird der Zustand der Teilchenfusion dadurch erreicht, dass Deuteriumkerne gezwungen werden, sich wie unscharfe Teilchen, wie Elektronen, und nicht wie winzige Punktteilchen zu verhalten. Wenn einem Schwermetall leichter oder schwerer Wasserstoff hinzugefügt wird, nimmt jedes Wasserstoffatom eine Position ein, in der es von allen Seiten von Schwermetallatomen umgeben ist.
Diese Form von Wasserstoff wird als Zwischenprodukt bezeichnet. Die Elektronen der Wasserstoffatome werden zusammen mit dem Zwischenprodukt Wasserstoff Teil der Elektronenmasse im Metall. Jeder Wasserstoffkern schwingt wie ein Pendel, während er durch die negativ geladene Elektronenwolke des Metalls wandert. Gemäß den Postulaten der Quantenmechanik treten solche Schwingungen bereits bei sehr niedrigen Temperaturen auf. Diese Art der Bewegung wird als Nullpunktbewegung bezeichnet. In diesem Fall werden die Kerne zu verschwommenen Objekten, wie Elektronen in einem Atom. Diese Unbestimmtheit reicht jedoch nicht aus, um die Wechselwirkung eines Wasserstoffkerns mit einem anderen zu ermöglichen.
Eine weitere Voraussetzung ist, dass zwei oder mehr Wasserstoffkerne den gleichen gemeinsamen Raum haben. Von Elektronen in einem Metall getragener elektrischer Strom verhält sich eher wie eine schwingende Materiewelle als wie Punktteilchen. Wenn sich Elektronen nicht wie Wellen in Festkörpern verhalten würden, gäbe es heute weder Transistoren noch moderne Computer. Ein Elektron in Form einer Welle wird als Bloch-Funktionselektron bezeichnet. Das Geheimnis der Kalten Fusion ist die Notwendigkeit, ein Deuteron der Bloch-Funktion zu erhalten. Damit zwei oder mehr Deuteronen ein gemeinsames Raumvolumen haben, müssen Wellendeuteronen im Inneren oder auf der Oberfläche eines Festkörpers erzeugt werden. Sobald Bloch-Funktions-Deuteronen entstehen, beginnt die Kernkraft zu wirken und die Protonen und Neutronen, aus denen das Deuteron besteht, werden in eine stabilere Bloch-Funktions-Helium-Konfiguration reorganisiert, was mit der Freisetzung von Wärme einhergeht.
Um die Kalte Fusion zu untersuchen, muss ein Experimentator Deuteronen in einen Wellenzustand zwingen und sie in diesem Zustand halten. Kalte Fusionsexperimente, die die Freisetzung überschüssiger Wärme belegen, beweisen, dass dies möglich ist. Allerdings weiß noch niemand, wie man einen solchen Prozess am zuverlässigsten durchführen kann. Die Nutzung der Kalten Fusion verspricht die Bereitstellung einer Energieressource, die Millionen von Jahren ohne die Probleme der globalen Erwärmung oder Radioaktivität auskommen wird – weshalb ernsthafte Anstrengungen unternommen werden sollten, um dieses Phänomen zu untersuchen.
Alle physischen Körper der Natur sind aus einer Art Materie aufgebaut, die Materie genannt wird. Stoffe werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt – einfache und komplexe Stoffe.
Komplexe Stoffe sind solche Stoffe, die durch chemische Reaktionen in andere, einfachere Stoffe zerlegt werden können. Im Gegensatz zu komplexen Stoffen sind einfache Stoffe solche, die chemisch nicht in noch einfachere Stoffe zerlegt werden können.
Ein Beispiel für eine komplexe Substanz ist Wasser, das durch eine chemische Reaktion in zwei andere, einfachere Substanzen zerlegt werden kann – Wasserstoff und Sauerstoff. Die letzten beiden können chemisch nicht mehr in einfachere Stoffe zerlegt werden und sind daher einfache Stoffe, also chemische Elemente.
In der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts herrschte in der Wissenschaft die Annahme vor, dass chemische Elemente unveränderliche Stoffe seien, die keine gemeinsame Verbindung untereinander hätten. Der russische Wissenschaftler D. I. Mendeleev (1834 - 1907) enthüllte jedoch erstmals im Jahr 1869 den Zusammenhang zwischen chemischen Elementen und zeigte, dass die qualitativen Eigenschaften jedes einzelnen von ihnen von seinen quantitativen Eigenschaften – dem Atomgewicht – abhängen.
Bei der Untersuchung der Eigenschaften chemischer Elemente bemerkte D. I. Mendeleev, dass sich ihre Eigenschaften je nach Atomgewicht periodisch wiederholen. Er stellte diese Periodizität in Form einer Tabelle dar, die in der Wissenschaft unter dem Namen „Mendelejews Periodensystem der Elemente“ Eingang fand.
Unten finden Sie Mendelejews modernes Periodensystem der chemischen Elemente.
Atome
Nach modernen wissenschaftlichen Vorstellungen besteht jedes chemische Element aus einer Ansammlung winziger materieller (materieller) Teilchen, die Atome genannt werden.
Ein Atom ist der kleinste Bruchteil eines chemischen Elements, der chemisch nicht mehr in andere, kleinere und einfachere Materialteilchen zerlegt werden kann.
Atome chemischer Elemente unterschiedlicher Natur unterscheiden sich voneinander in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften, Struktur, Größe, Masse, Atomgewicht, intrinsischer Energie und einigen anderen Eigenschaften. Beispielsweise unterscheidet sich das Wasserstoffatom in seinen Eigenschaften und seiner Struktur stark vom Sauerstoffatom, dieses wiederum vom Uranatom usw.
Es wurde festgestellt, dass Atome chemischer Elemente extrem klein sind. Wenn wir herkömmlicherweise davon ausgehen, dass Atome eine Kugelform haben, dann sollte ihr Durchmesser einhundertmillionstel Zentimeter betragen. Beispielsweise beträgt der Durchmesser eines Wasserstoffatoms – des kleinsten Atoms in der Natur – ein Hundertmillionstel Zentimeter (10 –8 cm), und der Durchmesser der größten Atome, beispielsweise eines Uranatoms, überschreitet ihn nicht dreihundertmillionstel Zentimeter (3 · 10 -8 cm). Folglich ist ein Wasserstoffatom um ein Vielfaches kleiner als eine Kugel mit einem Radius von einem Zentimeter, wie diese kleiner als der Globus ist.
Entsprechend der sehr geringen Größe der Atome ist auch ihre Masse sehr gering. Beispielsweise beträgt die Masse eines Wasserstoffatoms m = 1,67 · 10 -24 g. Das bedeutet, dass ein Gramm Wasserstoff etwa 6 · 10 23 Atome enthält.
Als herkömmliche Maßeinheit für das Atomgewicht chemischer Elemente gilt 1/16 des Gewichts eines Sauerstoffatoms. Entsprechend diesem Atomgewicht eines chemischen Elements wird eine abstrakte Zahl genannt, die angibt, wie vielfach das Gewicht ist eines bestimmten chemischen Elements ist größer als 1/16 des Gewichts eines Sauerstoffatoms.
Das Periodensystem der Elemente von D. I. Mendeleev zeigt die Atomgewichte aller chemischen Elemente (siehe die Zahl unter dem Namen des Elements). Aus dieser Tabelle sehen wir, dass das leichteste Atom das Wasserstoffatom ist, das ein Atomgewicht von 1,008 hat. Das Atomgewicht von Kohlenstoff beträgt 12, Sauerstoff 16 usw.
Bei schwereren chemischen Elementen übersteigt ihr Atomgewicht das Atomgewicht von Wasserstoff um mehr als das Zweihundertfache. Das Atomgewicht von Quecksilber beträgt also 200,6, das von Radium 226 usw. Je höher die Zahlenordnung eines chemischen Elements im Periodensystem der Elemente ist, desto größer ist das Atomgewicht.
Die meisten Atomgewichte chemischer Elemente werden in Bruchzahlen ausgedrückt. Dies lässt sich bis zu einem gewissen Grad dadurch erklären, dass solche chemischen Elemente aus einer Ansammlung vieler Atomarten bestehen, die unterschiedliche Atomgewichte, aber die gleichen chemischen Eigenschaften haben.
Chemische Elemente, die im Periodensystem der Elemente die gleiche Zahl einnehmen und daher die gleichen chemischen Eigenschaften, aber unterschiedliche Atomgewichte haben, werden Isotope genannt.
Isotope kommen in den meisten chemischen Elementen vor; es gibt zwei Isotope, Kalzium – vier, Zink – fünf, Zinn – elf usw. Viele Isotope werden durch Kunst gewonnen, einige von ihnen sind von großer praktischer Bedeutung.
Elementarteilchen der Materie
Lange Zeit glaubte man, dass Atome chemischer Elemente die Grenze der Teilbarkeit der Materie darstellen, also wie die elementaren „Bausteine“ des Universums. Die moderne Wissenschaft hat diese Hypothese zurückgewiesen und festgestellt, dass das Atom eines chemischen Bieres eine Ansammlung noch kleinerer materieller Partikel als das Atom selbst ist.
Gemäß der elektronischen Theorie der Struktur der Materie ist ein Atom eines beliebigen chemischen Elements ein System, das aus einem zentralen Kern besteht, um den sich „elementare“ materielle Teilchen, sogenannte Elektronen, drehen. Die Atomkerne bestehen nach allgemein anerkannter Ansicht aus einer Ansammlung „elementarer“ materieller Teilchen – Protonen und Neutronen.
Um den Aufbau von Atomen und die darin ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse zu verstehen, ist es notwendig, sich zumindest kurzzeitig mit den grundlegenden Eigenschaften der Elementarteilchen vertraut zu machen, aus denen die Atome bestehen.
Habe das festgestellt Elektron ist ein materielles Teilchen mit der kleinsten negativen elektrischen Ladung, die in der Natur beobachtet wird.
Wenn wir herkömmlicherweise davon ausgehen, dass ein Elektron als Teilchen eine Kugelform hat, dann sollte der Durchmesser des Elektrons gleich 4 sein · 10 -13 cm, d. h. er ist zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines beliebigen Atoms.
Ein Elektron hat wie jedes andere materielle Teilchen eine Masse. Die „Ruhemasse“ eines Elektrons, also die Masse, die es im relativen Ruhezustand hat, beträgt m o = 9,1 · 10 -28 g.
Die extrem kleine „Ruhemasse“ des Elektrons weist darauf hin, dass die inerten Eigenschaften des Elektrons äußerst schwach sind, was bedeutet, dass das Elektron unter dem Einfluss einer variablen elektrischen Kraft mit einer Frequenz von vielen Milliarden Zyklen pro Jahr im Raum schwingen kann zweite.
Die Masse eines Elektrons ist so gering, dass man für ein Gramm Elektronen 1027 Einheiten benötigen müsste. Um zumindest eine physikalische Vorstellung von dieser kolossal großen Zahl zu bekommen, geben wir das folgende Beispiel. Wenn ein Gramm Elektronen in einer geraden Linie dicht nebeneinander platziert werden könnte, würden sie eine Kette von vier Milliarden Kilometern Länge bilden.
Die Masse eines Elektrons hängt wie bei jedem anderen materiellen Mikroteilchen von der Geschwindigkeit seiner Bewegung ab. Ein Elektron, das sich in einem relativen Ruhezustand befindet, hat eine „Ruhemasse“, die mechanischer Natur ist, wie die Masse jedes physischen Körpers. Die „Bewegungsmasse“ des Elektrons, die mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit zunimmt, ist elektromagnetischen Ursprungs. Dies ist auf das Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes in einem sich bewegenden Elektron als einer bestimmten Art von Materie mit Masse und elektromagnetischer Energie zurückzuführen.
Je schneller sich das Elektron bewegt, desto stärker manifestieren sich die Trägheitseigenschaften seines elektromagnetischen Feldes und desto größer ist folglich dessen Masse und dementsprechend seine elektromagnetische Energie. Da ein Elektron mit seinem elektromagnetischen Feld ein einziges, organisch verbundenes Materialsystem darstellt, ist es selbstverständlich, dass die Bewegungsmasse des elektromagnetischen Feldes des Elektrons direkt dem Elektron selbst zugeschrieben werden kann.
Ein Elektron hat neben den Eigenschaften eines Teilchens auch Welleneigenschaften. Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich der Elektronenfluss wie ein Lichtfluss in Form einer wellenförmigen Bewegung ausbreitet. Die Natur der Wellenbewegung des Elektronenflusses im Raum wird durch die Phänomene der Interferenz und Beugung von Elektronenwellen bestätigt.
Elektroneninterferenz- das ist das Phänomen der Überlagerung elektronischer Testamente, und Elektronenbeugung- Hierbei handelt es sich um das Phänomen, dass sich Elektronenwellen an den Rändern eines schmalen Spalts biegen, durch den ein Elektronenfluss fließt. Folglich ist ein Elektron nicht nur ein Teilchen, sondern eine „Teilchenwelle“, deren Länge von der Masse und Geschwindigkeit des Elektrons abhängt.
Es wurde festgestellt, dass das Elektron neben seiner Translationsbewegung auch eine Rotationsbewegung um seine Achse ausführt. Diese Art der Elektronenbewegung wird „Spin“ genannt (vom englischen Wort „spin“ – Spindel). Durch diese Bewegung erhält das Elektron neben den elektrischen Eigenschaften aufgrund der elektrischen Ladung auch magnetische Eigenschaften, die in dieser Hinsicht an einen Elementarmagneten erinnern.
Ein Proton ist ein materielles Teilchen, dessen positive elektrische Ladung im absoluten Wert der elektrischen Ladung eines Elektrons entspricht.
Die Protonenmasse beträgt 1,67 · 10-24 g, also etwa das 1840-fache der „Ruhemasse“ des Elektrons.
Im Gegensatz zum Elektron und Proton Ein Neutron hat keine elektrische Ladung, d. h. es ist ein elektrisch neutrales „Elementarteilchen“ der Materie. Die Masse eines Neutrons ist fast gleich der Masse eines Protons.
Elektronen, Protonen und Neutronen interagieren als Teil von Atomen miteinander. Insbesondere werden Elektronen und Protonen als Teilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung voneinander angezogen. Gleichzeitig werden ein Elektron von einem Elektron und ein Proton von einem Proton als Teilchen mit der gleichen elektrischen Ladung abgestoßen.
Die Wechselwirkung all dieser elektrisch geladenen Teilchen erfolgt durch ihre elektrischen Felder. Diese Felder stellen eine besondere Art von Materie dar und bestehen aus einer Ansammlung elementarer Materialteilchen, den sogenannten Photonen. Jedem Photon ist eine genau definierte Energiemenge inne (Energiequantum).
Die Wechselwirkung elektrisch geladener Materialteilchen erfolgt durch den Austausch von Photonen untereinander. Üblicherweise wird die Wechselwirkungskraft zwischen elektrisch geladenen Teilchen genannt elektrische Kraft.
Neutronen und Protonen, die in den Atomkernen vorkommen, interagieren auch miteinander. Allerdings erfolgt diese Wechselwirkung nicht mehr über ein elektrisches Feld, da das Neutron ein elektrisch neutrales Materieteilchen ist, sondern über das sogenannte Kernfeld.
Dieses Feld ist ebenfalls eine besondere Art von Materie und besteht aus einer Ansammlung elementarer Materialteilchen, den sogenannten Mesonen. Die Wechselwirkung von Neutronen und Protonen erfolgt durch den Austausch von Mesonen untereinander. Die Kraft zwischen Neutronen und Protonen, die miteinander interagieren, wird Kernkraft genannt.
Es wurde festgestellt, dass Kernkräfte in den Atomkernen in extrem kleinen Abständen – etwa 10 – 13 cm – wirken.Kernkräfte übertreffen die elektrischen Kräfte der gegenseitigen Abstoßung von Protonen im Atomkern deutlich. Dies führt dazu, dass sie nicht nur in der Lage sind, die Kräfte der gegenseitigen Abstoßung von Protonen innerhalb der Atomkerne zu überwinden, sondern auch aus einer Kombination von Protonen und Neutronen sehr starke Kernsysteme zu erzeugen.
Die Stabilität des Kerns jedes Atoms hängt von der Beziehung zwischen zwei widersprüchlichen Kräften ab – nuklear (gegenseitige Anziehung von Protonen und Neutronen) und elektrisch (gegenseitige Abstoßung von Protonen).
Starke Kernkräfte, die in den Atomkernen wirken, tragen zur Umwandlung von Neutronen und Protonen ineinander bei. Diese gegenseitigen Umwandlungen von Neutronen und Protonen erfolgen durch die Freisetzung oder Absorption leichterer Elementarteilchen, beispielsweise Mesonen.
Die von uns betrachteten Teilchen werden Elementarteilchen genannt, weil sie nicht aus einer Ansammlung anderer, einfacherer Materieteilchen bestehen. Aber gleichzeitig dürfen wir nicht vergessen, dass sie sich ineinander verwandeln können und auf Kosten des anderen entstehen. Somit handelt es sich bei diesen Teilchen um einige komplexe Gebilde, d. h. ihre Elementarität ist bedingt.
Chemische Struktur von Atomen
Das einfachste Atom in seiner Struktur ist das Wasserstoffatom. Es besteht aus einer Ansammlung von nur zwei Elementarteilchen – einem Proton und einem Elektron. Das Proton spielt im Wasserstoffatomsystem die Rolle eines zentralen Kerns, um den sich das Elektron auf einer bestimmten Umlaufbahn dreht. In Abb. Abbildung 1 zeigt schematisch ein Modell des Wasserstoffatoms.
Reis. 1. Schema der Struktur des Wasserstoffatoms
Dieses Modell ist nur eine grobe Annäherung an die Realität. Tatsache ist, dass das Elektron als „Teilchenwelle“ kein von der äußeren Umgebung scharf abgegrenztes Volumen hat. Das bedeutet, dass wir nicht von einer exakten linearen Umlaufbahn des Elektrons sprechen sollten, sondern von einer Art Elektronenwolke. In diesem Fall besetzt das Elektron am häufigsten eine mittlere Linie der Wolke, die eine seiner möglichen Umlaufbahnen im Atom darstellt.
Es muss gesagt werden, dass die Umlaufbahn des Elektrons selbst im Atom nicht streng unverändert und bewegungslos ist – auch sie erfährt aufgrund von Änderungen in der Masse des Elektrons eine gewisse Rotationsbewegung. Folglich ist die Bewegung eines Elektrons in einem Atom relativ komplex. Da der Kern eines Wasserstoffatoms (Proton) und das um ihn rotierende Elektron entgegengesetzte elektrische Ladungen haben, werden sie gegenseitig angezogen.
Gleichzeitig entwickelt das Elektron, das sich um den Atomkern dreht, eine Zentrifugalkraft, die dazu neigt, es vom Atomkern zu entfernen. Folglich sind die elektrische Kraft der gegenseitigen Anziehung zwischen dem Atomkern und dem Elektron und die auf das Elektron wirkende Zentrifugalkraft widersprüchliche Kräfte.
Im Gleichgewicht nimmt ihr Elektron eine relativ stabile Position auf einer bestimmten Umlaufbahn im Atom ein. Da die Masse eines Elektrons sehr klein ist, muss es sich mit einer enormen Geschwindigkeit drehen, die etwa 6 10 15 Umdrehungen pro Sekunde entspricht, um die Anziehungskraft auf den Atomkern auszugleichen. Das bedeutet, dass sich das Elektron im System des Wasserstoffatoms wie jedes andere Atom mit einer linearen Geschwindigkeit von mehr als tausend Kilometern pro Sekunde auf seiner Umlaufbahn bewegt.
Unter normalen Bedingungen rotiert ein Elektron in einem Atom seiner Art auf der dem Kern nächstgelegenen Umlaufbahn. Gleichzeitig verfügt es über die geringstmögliche Energiemenge. Wenn sich das Elektron aus dem einen oder anderen Grund, zum Beispiel unter dem Einfluss anderer materieller Teilchen, die in das Atomsystem eingedrungen sind, auf eine vom Atom weiter entfernte Umlaufbahn bewegt, dann verfügt es bereits über eine etwas größere Energiemenge.
Allerdings verbleibt das Elektron nur für unbedeutend kurze Zeit auf dieser neuen Umlaufbahn, bevor es sich wieder auf die dem Atomkern nächstgelegene Umlaufbahn dreht. Bei dieser Bewegung gibt es seine überschüssige Energie in Form eines Quantums elektrischer magnetischer Strahlung ab – Strahlungsenergie (Abb. 2).
Reis. 2. Wenn sich ein Elektron von einer entfernten Umlaufbahn zu einer näher am Atomkern befindlichen Umlaufbahn bewegt, sendet es ein Quantum Strahlungsenergie aus
Je mehr Energie ein Elektron von außen erhält, desto weiter entfernt bewegt es sich auf seiner Umlaufbahn vom Atomkern und desto größer ist die Menge an elektromagnetischer Energie, die es abgibt, wenn es sich in die dem Kern nächstgelegene Umlaufbahn dreht.
Durch die Messung der Energiemenge, die ein Elektron abgibt, wenn es sich von verschiedenen Bahnen zu der Bahn bewegt, die dem Atomkern am nächsten liegt, konnte festgestellt werden, dass sich ein Elektron im System des Wasserstoffatoms wie im System jedes anderen Atoms befindet , kann sich nicht auf eine beliebige Umlaufbahn bewegen, sondern auf eine genau definierte Umlaufbahn entsprechend der Energie, die es unter dem Einfluss einer äußeren Kraft erhält. Die Bahnen, die ein Elektron in einem Atom einnehmen kann, werden erlaubte Bahnen genannt.
Da die positive Ladung des Kerns eines Wasserstoffatoms (Protonenladung) und die negative Ladung des Elektrons zahlenmäßig gleich sind, ist ihre Gesamtladung Null. Das bedeutet, dass das Wasserstoffatom im Normalzustand ein elektrisch neutrales Teilchen ist.
Dies gilt für Atome aller chemischen Elemente: Ein Atom eines beliebigen chemischen Elements im Normalzustand ist aufgrund der zahlenmäßigen Gleichheit seiner positiven und negativen Ladungen ein elektrisch neutrales Teilchen.
Da der Kern eines Wasserstoffatoms nur ein „elementares“ Teilchen – ein Proton – enthält, ist die sogenannte Massenzahl dieses Kerns gleich eins. Die Massenzahl des Atomkerns eines beliebigen chemischen Elements ist die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen, aus denen dieser Kern besteht.
Natürlicher Wasserstoff besteht hauptsächlich aus einer Ansammlung von Atomen mit der Massenzahl eins. Es enthält jedoch auch eine andere Art von Wasserstoffatomen mit einer Massenzahl von zwei. Die Kerne der Atome dieses schweren Wasserstoffs, Deuteronen genannt, bestehen aus zwei Teilchen – einem Proton und einem Neutron. Dieses Wasserstoffisotop wird Deuterium genannt.
Natürlicher Wasserstoff enthält sehr geringe Mengen Deuterium. Auf sechstausend Atome leichten Wasserstoffs (Massenzahl gleich eins) kommt nur ein Atom Deuterium (schwerer Wasserstoff). Es gibt ein weiteres Isotop von Wasserstoff – superschweren Wasserstoff, genannt Tritium. In den Kernen eines Atoms dieses Wasserstoffisotops befinden sich drei Teilchen: ein Proton und zwei Neutronen, die durch Kernkräfte aneinander gebunden sind. Die Massenzahl des Kerns eines Tritiumatoms beträgt drei, d. h. ein Tritiumatom ist dreimal schwerer als ein leichtes Wasserstoffatom.
Obwohl die Atome von Wasserstoffisotopen unterschiedliche Massen haben, haben sie dennoch die gleichen chemischen Eigenschaften. Beispielsweise bildet leichter Wasserstoff, der eine chemische Wechselwirkung mit Sauerstoff eingeht, mit ihm eine komplexe Substanz – Wasser. Ebenso verbindet sich das Wasserstoffisotop Deuterium mit Sauerstoff zu Wasser, das im Gegensatz zu gewöhnlichem Wasser als schweres Wasser bezeichnet wird. Schweres Wasser wird häufig bei der Erzeugung von Kernenergie verwendet.
Folglich hängen die chemischen Eigenschaften von Atomen nicht von der Masse ihrer Kerne ab, sondern nur von der Struktur der Elektronenhülle des Atoms. Da leichte Wasserstoff-, Deuterium- und Tritiumatome die gleiche Anzahl an Elektronen haben (eines für jedes Atom), haben diese Isotope die gleichen chemischen Eigenschaften.
Es ist kein Zufall, dass das chemische Element Wasserstoff die erste Zahl im Periodensystem der Elemente einnimmt. Tatsache ist, dass es einen Zusammenhang zwischen der Nummer eines beliebigen Elements im Periodensystem der Elemente und dem Ladungswert des Atomkerns dieses Elements gibt. Man kann es so formulieren: Die Seriennummer eines beliebigen chemischen Elements im Periodensystem der Elemente entspricht numerisch der positiven Ladung des Kerns dieses Elements und folglich der Anzahl der um ihn rotierenden Elektronen.
Da Wasserstoff die erste Zahl im Periodensystem der Elemente einnimmt, bedeutet dies, dass die positive Ladung des Kerns seines Atoms gleich eins ist und dass sich ein Elektron um den Kern dreht.
Das chemische Element Helium steht auf Platz zwei im Periodensystem der Elemente. Dies bedeutet, dass es eine positive elektrische Kernladung von zwei Einheiten hat, d. h. sein Kern muss zwei Protonen enthalten und die Elektronenhülle des Atoms muss zwei Elektroden enthalten.
Natürliches Helium besteht aus zwei Isotopen – schwerem und leichtem Helium. Die Massenzahl von schwerem Helium beträgt vier. Das bedeutet, dass der Kern eines schweren Heliumatoms zusätzlich zu den oben genannten zwei Protonen zwei weitere Neutronen enthalten muss. Die Massenzahl des leichten Heliums beträgt drei, d. h. sein Kern muss neben zwei Protonen noch ein weiteres Neutron enthalten.
Es wurde festgestellt, dass in natürlichem Helium die Anzahl der leichten Heliumatome etwa ein Millionstel der schweren Heliumatome beträgt. In Abb. Abbildung 3 zeigt ein schematisches Modell des Heliumatoms.
Reis. 3. Schema der Struktur des Heliumatoms
Eine weitere Komplexität der Struktur der Atome chemischer Elemente entsteht durch eine Zunahme der Anzahl von Protonen und Neutronen in den Kernen dieser Atome und gleichzeitig durch eine Zunahme der Anzahl der um die Kerne rotierenden Elektronen (Abb. 4). ). Mithilfe des Periodensystems der Elemente lässt sich leicht die Anzahl der Elektronen, Protonen und Neutronen bestimmen, aus denen verschiedene Atome bestehen.
Reis. 4. Schemata der Struktur von Atomkernen: 1 - Helium, 2 - Kohlenstoff, 3 - Sauerstoff
Die Ordnungszahl eines chemischen Elements ist gleich der Anzahl der im Atomkern befindlichen Protonen und gleichzeitig der Anzahl der um den Atomkern rotierenden Elektronen. Das Atomgewicht entspricht in etwa der Massenzahl des Atoms, also der Anzahl der im Kern vereinten Protonen und Neutronen. Indem man vom Atomgewicht eines Elements eine Zahl abzieht, die der Ordnungszahl des Elements entspricht, kann man daher bestimmen, wie viele Neutronen in einem bestimmten Kern enthalten sind.
Es wurde festgestellt, dass sich die Kerne leichter chemischer Elemente, die zu gleichen Teilen aus Protonen und Neutronen bestehen, durch eine sehr hohe Festigkeit auszeichnen, da die Kernkräfte in ihnen relativ groß sind. Beispielsweise ist der Kern eines schweren Heliumatoms extrem stark, weil er aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, die durch starke Kernkräfte miteinander verbunden sind.
Die Kerne von Atomen schwererer chemischer Elemente enthalten eine ungleiche Anzahl von Protonen und Neutronen, daher ist ihre Bindung im Kern schwächer als in den Kernen leichter chemischer Elemente. Die Kerne dieser Elemente lassen sich beim Beschuss mit atomaren „Projektilen“ (Neutronen, Heliumkerne etc.) relativ leicht spalten.
Die Kerne der schwersten chemischen Elemente, insbesondere der radioaktiven, sind so schwach, dass sie spontan in ihre Bestandteile zerfallen. Beispielsweise zerfallen Atome des radioaktiven Elements Radium, die aus einer Kombination von 88 Protonen und 138 Neutronen bestehen, spontan und verwandeln sich in Atome des radioaktiven Elements Radon. Die Atome der letzteren zerfallen wiederum in ihre Bestandteile und verwandeln sich in Atome anderer Elemente.
Nachdem wir uns kurz mit den Komponenten der Atomkerne chemischer Elemente vertraut gemacht haben, betrachten wir die Struktur der elektronischen Hüllen von Atomen. Elektronen können bekanntlich nur auf genau definierten Bahnen um Atomkerne rotieren. Darüber hinaus sind sie in der Elektronenhülle jedes Atoms so gruppiert, dass einzelne Elektronenschichten unterschieden werden können.
Jede Schicht kann eine Anzahl von Elektronen enthalten, die eine genau definierte Anzahl nicht überschreitet. So können sich beispielsweise in der ersten Elektronenschicht, die dem Atomkern am nächsten liegt, maximal zwei Elektronen befinden, in der zweiten nicht mehr als acht Elektronen usw.
Die stabilste Elektronenhülle haben die Atome, deren äußere Elektronenschichten vollständig gefüllt sind. Dies bedeutet, dass dieses Atom alle seine Elektronen festhält und keine zusätzliche Menge von außen erhalten muss. Beispielsweise hat ein Heliumatom zwei Elektronen, die die erste Elektronenschicht vollständig ausfüllen, und ein Neonatom hat zehn Elektronen, von denen die ersten beiden die erste Elektronenschicht vollständig ausfüllen und der Rest die zweite (Abb. 5).
Reis. 5. Schema der Struktur des Neonatoms
Folglich haben Helium- und Neonatome völlig stabile elektronische Hüllen und streben nicht danach, diese irgendwie quantitativ zu verändern. Solche Elemente sind chemisch inert, das heißt, sie interagieren nicht chemisch mit anderen Elementen.
Allerdings haben die meisten chemischen Elemente Atome, deren äußere Elektronenschichten nicht vollständig mit Elektronen gefüllt sind. Beispielsweise hat ein Kaliumatom neunzehn Elektronen, von denen achtzehn die ersten drei Schichten vollständig ausfüllen, und das neunzehnte Elektron befindet sich allein in der nächsten, ungefüllten Elektronenschicht. Die schwache Füllung der vierten Elektronenschicht mit Elektronen führt dazu, dass der Atomkern das äußerste Elektron, das neunzehnte Elektron, nur sehr schwach hält und dieses daher leicht aus dem Atom herausgerissen werden kann. .
Oder ein Sauerstoffatom hat beispielsweise acht Elektronen, von denen zwei die erste Schicht vollständig ausfüllen und die restlichen sechs sich in der zweiten Schicht befinden. Um den Aufbau der zweiten Elektronenschicht im Sauerstoffatom vollständig abzuschließen, benötigt es also nur zwei Elektronen. Daher hält das Sauerstoffatom nicht nur seine sechs Elektronen fest in der zweiten Schicht, sondern hat auch die Fähigkeit, die beiden Elektronen anzuziehen, die ihm fehlen, um seine zweite Elektronenschicht aufzufüllen. Dies erreicht er, indem er sich chemisch mit Atomen von Elementen verbindet, deren Außenelektronen schwach an ihre Kerne gebunden sind.
Chemische Elemente, deren Atome keine vollständig mit Elektronen gefüllte äußere Elektronenschicht haben, sind in der Regel chemisch aktiv, das heißt, sie gehen leicht chemische Wechselwirkungen ein.
Elektronen in den Atomen chemischer Elemente sind also in einer streng definierten Reihenfolge angeordnet, und jede Änderung ihrer räumlichen Anordnung oder Menge in der Elektronenhülle des Atoms führt zu einer Änderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Atoms.
Die Gleichheit der Anzahl der Elektronen und Protonen im Atomsystem ist der Grund dafür, dass seine elektrische Gesamtladung Null ist. Wird die Gleichheit der Anzahl der Elektronen und Protonen im Atomsystem verletzt, wird das Atom zu einem elektrisch geladenen System.
Ein Atom, in dessen System das Gleichgewicht entgegengesetzter elektrischer Ladungen gestört ist, weil es einen Teil seiner Elektronen verloren oder umgekehrt einen Überschuss davon aufgenommen hat, wird als Ion bezeichnet.
Im Gegenteil: Wenn ein Atom zusätzliche Elektronen aufnimmt, wird es zu einem negativen Ion. Beispielsweise verwandelt sich ein Chloratom, das ein zusätzliches Elektron gewonnen hat, in ein einfach geladenes negatives Chlorion Cl -. Ein Sauerstoffatom, das zwei zusätzliche Elektronen erhalten hat, verwandelt sich in ein doppelt geladenes negatives Sauerstoffion O usw.
Ein Atom, das sich in ein Ion verwandelt hat, wird im Verhältnis zur äußeren Umgebung zu einem elektrisch geladenen System. Dies bedeutet, dass das Atom begann, ein elektrisches Feld zu haben, mit dem es ein einziges Materialsystem bildet, und durch dieses Feld führt es elektrische Wechselwirkungen mit anderen elektrisch geladenen Materieteilchen aus – Ionen, Elektronen, positiv geladenen Atomkernen usw.
Die Fähigkeit ungleicher Ionen, sich gegenseitig anzuziehen, ist der Grund dafür, dass sie sich chemisch verbinden und komplexere Materieteilchen – Moleküle – bilden.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Abmessungen eines Atoms im Vergleich zu den Abmessungen der materiellen Partikel, aus denen es besteht, sehr groß sind. Der Kern des komplexesten Atoms nimmt zusammen mit allen Elektronen ein Milliardstel des Atomvolumens ein. Eine einfache Rechnung zeigt, dass, wenn ein Kubikmeter Platin so stark komprimiert werden könnte, dass die intraatomaren und interatomaren Räume verschwinden, das Volumen ungefähr einem Kubikmillimeter entsprechen würde.
Durch das Studium der Struktur der Materie fanden Physiker heraus, woraus Atome bestehen, gelangten zum Atomkern und spalteten ihn in Protonen und Neutronen. Alle diese Schritte waren ganz einfach: Man musste die Teilchen nur auf die erforderliche Energie beschleunigen, sie gegeneinander drücken und dann zerfielen sie selbst in ihre Einzelteile.
Doch bei Protonen und Neutronen funktionierte dieser Trick nicht mehr. Obwohl es sich um zusammengesetzte Partikel handelt, können sie selbst bei der heftigsten Kollision nicht „in Stücke zerbrochen“ werden. Daher brauchten Physiker Jahrzehnte, um verschiedene Möglichkeiten zu finden, in das Innere des Protons zu blicken und seine Struktur und Form zu erkennen. Die Erforschung der Struktur des Protons ist heute eines der aktivsten Gebiete der Teilchenphysik.
Die Natur gibt Hinweise
Die Geschichte der Erforschung der Struktur von Protonen und Neutronen reicht bis in die 1930er Jahre zurück. Als neben Protonen auch Neutronen entdeckt wurden (1932), stellten die Physiker nach der Messung ihrer Masse überrascht fest, dass sie der Masse eines Protons sehr nahe kam. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass Protonen und Neutronen die nukleare Wechselwirkung auf genau die gleiche Weise „spüren“. So identisch, dass aus der Sicht der Kernkräfte ein Proton und ein Neutron als zwei Erscheinungsformen desselben Teilchens – eines Nukleons – betrachtet werden können: Ein Proton ist ein elektrisch geladenes Nukleon und ein Neutron ist ein neutrales Nukleon. Tauschen Sie Protonen gegen Neutronen und die Kernkräfte werden (fast) nichts bemerken.
Physiker drücken diese Eigenschaft der Natur als Symmetrie aus – die Kernwechselwirkung ist symmetrisch in Bezug auf den Ersatz von Protonen durch Neutronen, genauso wie ein Schmetterling symmetrisch in Bezug auf den Ersatz von links durch rechts ist. Diese Symmetrie spielte nicht nur eine wichtige Rolle in der Kernphysik, sondern war auch der erste Hinweis darauf, dass Nukleonen eine interessante innere Struktur hatten. Allerdings erkannten die Physiker in den 30er Jahren diesen Hinweis nicht.
Das Verständnis kam erst später. Es begann damit, dass Wissenschaftler in den 1940er und 1950er Jahren bei den Reaktionen von Kollisionen von Protonen mit den Kernen verschiedener Elemente überrascht waren, immer mehr neue Teilchen zu entdecken. Keine Protonen, keine Neutronen, nicht die damals entdeckten Pi-Mesonen, die Nukleonen in Kernen halten, sondern einige völlig neue Teilchen. Bei aller Vielfalt hatten diese neuen Teilchen zwei gemeinsame Eigenschaften. Erstens nahmen sie wie Nukleonen sehr gerne an nuklearen Wechselwirkungen teil – heute werden solche Teilchen Hadronen genannt. Und zweitens waren sie äußerst instabil. Die instabilsten von ihnen zerfielen in nur einer Billionstel Nanosekunde in andere Teilchen und hatten nicht einmal Zeit, die Größe eines Atomkerns zu erreichen!
Lange Zeit herrschte im Hadronen-Zoo ein völliges Durcheinander. Ende der 1950er-Jahre hatten Physiker bereits viele verschiedene Arten von Hadronen kennengelernt, begannen sie miteinander zu vergleichen und erkannten plötzlich eine gewisse allgemeine Symmetrie, ja sogar Periodizität in ihren Eigenschaften. Es wurde vermutet, dass es in allen Hadronen (einschließlich Nukleonen) einige einfache Objekte gibt, die „Quarks“ genannt werden. Durch die Kombination von Quarks auf unterschiedliche Weise ist es möglich, verschiedene Hadronen zu erhalten, und zwar von genau demselben Typ und mit denselben Eigenschaften, die im Experiment entdeckt wurden.
Was macht ein Proton zu einem Proton?
Nachdem Physiker die Quarkstruktur von Hadronen entdeckten und erfuhren, dass es Quarks in verschiedenen Varianten gibt, wurde klar, dass aus Quarks viele verschiedene Teilchen aufgebaut werden können. Daher war niemand überrascht, als in nachfolgenden Experimenten weiterhin nacheinander neue Hadronen gefunden wurden. Doch unter all den Hadronen wurde eine ganze Familie von Teilchen entdeckt, die, genau wie das Proton, nur aus zwei besteht u-Quarks und eins D-Quark. Eine Art „Bruder“ des Protons. Und hier erlebten die Physiker eine Überraschung.
Machen wir zunächst eine einfache Beobachtung. Wenn wir mehrere Objekte haben, die aus den gleichen „Steinen“ bestehen, dann enthalten schwerere Objekte mehr „Steine“ und leichtere weniger. Dies ist ein sehr natürliches Prinzip, das als Kombinationsprinzip oder Überbauprinzip bezeichnet werden kann und sowohl im Alltag als auch in der Physik perfekt funktioniert. Es zeigt sich sogar im Aufbau von Atomkernen – schließlich bestehen schwerere Kerne einfach aus einer größeren Anzahl von Protonen und Neutronen.
Auf der Ebene der Quarks funktioniert dieses Prinzip jedoch überhaupt nicht, und die Physiker haben zugegebenermaßen noch nicht vollständig herausgefunden, warum. Es stellt sich heraus, dass auch die schweren Brüder des Protons aus den gleichen Quarks wie das Proton bestehen, obwohl sie eineinhalb oder sogar zwei Mal schwerer sind als das Proton. Sie unterscheiden sich vom Proton (und unterscheiden sich auch voneinander) nicht Komposition, und gegenseitig Standort Quarks, durch den Zustand, in dem diese Quarks relativ zueinander sind. Es reicht aus, die relative Position der Quarks zu ändern – und aus dem Proton erhalten wir ein weiteres, deutlich schwereres Teilchen.
Was passiert, wenn man immer noch mehr als drei Quarks zusammen nimmt und sammelt? Wird es ein neues schweres Teilchen geben? Überraschenderweise wird es nicht funktionieren – die Quarks werden in drei Teile zerfallen und sich in mehrere verstreute Teilchen verwandeln. Aus irgendeinem Grund „mag es die Natur nicht“, viele Quarks zu einem Ganzen zu vereinen! Erst vor kurzem, im wahrsten Sinne des Wortes in den letzten Jahren, tauchten Hinweise darauf auf, dass einige Multiquark-Teilchen tatsächlich existieren, aber das unterstreicht nur, wie sehr die Natur sie nicht mag.
Aus dieser Kombinatorik ergibt sich eine sehr wichtige und tiefgreifende Schlussfolgerung: Die Masse der Hadronen besteht überhaupt nicht aus der Masse der Quarks. Wenn aber die Masse eines Hadrons durch einfaches Zusammenfügen seiner Bausteine erhöht oder verringert werden kann, dann sind es nicht die Quarks selbst, die für die Masse der Hadronen verantwortlich sind. Und tatsächlich konnte in nachfolgenden Experimenten herausgefunden werden, dass die Masse der Quarks selbst nur etwa zwei Prozent der Masse des Protons beträgt und der Rest der Schwerkraft durch das Kraftfeld (spezielle Teilchen – Gluonen) entsteht Binden Sie die Quarks zusammen. Indem wir die relative Position der Quarks ändern, indem wir sie beispielsweise weiter voneinander entfernen, verändern wir dadurch die Gluonenwolke und machen sie massereicher, weshalb die Hadronenmasse zunimmt (Abb. 1).
Was passiert im Inneren eines sich schnell bewegenden Protons?
Alles, was oben beschrieben wurde, betrifft ein stationäres Proton; in der Sprache der Physiker ist dies die Struktur des Protons in seinem Ruhesystem. Im Experiment wurde die Struktur des Protons jedoch erstmals unter anderen Bedingungen entdeckt – im Inneren schnelles Fliegen Proton.
Ende der 1960er Jahre wurde bei Experimenten zu Teilchenkollisionen an Beschleunigern festgestellt, dass sich Protonen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, so verhielten, als ob die Energie in ihrem Inneren nicht gleichmäßig verteilt, sondern in einzelnen kompakten Objekten konzentriert wäre. Der berühmte Physiker Richard Feynman schlug vor, diese Materieklumpen im Inneren Protonen zu nennen Partons(aus dem Englischen Teil - Teil).
Nachfolgende Experimente untersuchten viele Eigenschaften von Partonen – zum Beispiel ihre elektrische Ladung, ihre Anzahl und den Anteil der Protonenenergie, die jedes Parton trägt. Es stellt sich heraus, dass geladene Partonen Quarks und neutrale Partonen Gluonen sind. Ja, dieselben Gluonen, die im Ruhesystem des Protons lediglich den Quarks „gedient“ und sie zueinander angezogen haben, sind jetzt unabhängige Partonen und tragen zusammen mit den Quarks die „Materie“ und Energie eines sich schnell bewegenden Protons. Experimente haben gezeigt, dass etwa die Hälfte der Energie in Quarks und die andere Hälfte in Gluonen gespeichert ist.
Partonen lassen sich am einfachsten bei Kollisionen von Protonen mit Elektronen untersuchen. Tatsache ist, dass ein Elektron im Gegensatz zu einem Proton nicht an starken Kernwechselwirkungen teilnimmt und seine Kollision mit einem Proton sehr einfach aussieht: Das Elektron sendet für sehr kurze Zeit ein virtuelles Photon aus, das auf ein geladenes Parton prallt und letztendlich ein erzeugt große Anzahl an Partikeln (Abb. 2). Man kann sagen, dass das Elektron ein hervorragendes Skalpell ist, um das Proton zu „öffnen“ und in einzelne Teile zu zerlegen – allerdings nur für sehr kurze Zeit. Wenn man weiß, wie oft solche Prozesse an einem Beschleuniger ablaufen, kann man die Anzahl der Partonen im Inneren eines Protons und ihre Ladungen messen.
Wer sind die Partons wirklich?
Und hier kommen wir zu einer weiteren erstaunlichen Entdeckung, die Physiker bei der Untersuchung von Kollisionen von Elementarteilchen bei hohen Energien gemacht haben.
Unter normalen Bedingungen hat die Frage, woraus dieses oder jenes Objekt besteht, eine universelle Antwort für alle Referenzsysteme. Ein Wassermolekül besteht beispielsweise aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom – und dabei spielt es keine Rolle, ob wir ein ruhendes oder ein bewegtes Molekül betrachten. Allerdings erscheint diese Regel so natürlich! - wird verletzt, wenn es sich um Elementarteilchen handelt, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. In einem Bezugssystem kann ein komplexes Teilchen aus einem Satz von Unterteilchen bestehen, in einem anderen Bezugssystem aus einem anderen. Es stellt sich heraus, dass Komposition ist ein relatives Konzept!
Wie kann das sein? Der Schlüssel hierzu ist eine wichtige Eigenschaft: Die Anzahl der Teilchen in unserer Welt ist nicht festgelegt – Teilchen können entstehen und verschwinden. Wenn man beispielsweise zwei Elektronen mit ausreichend hoher Energie zusammenschiebt, kann zusätzlich zu diesen beiden Elektronen entweder ein Photon oder ein Elektron-Positron-Paar oder andere Teilchen entstehen. All dies ist durch die Quantengesetze erlaubt, und genau das geschieht in realen Experimenten.
Aber dieses „Gesetz der Nichterhaltung“ der Teilchen funktioniert bei Kollisionen Partikel. Wie kommt es, dass dasselbe Proton aus verschiedenen Blickwinkeln so aussieht, als bestünde es aus einem anderen Satz von Teilchen? Der Punkt ist, dass ein Proton nicht nur aus drei zusammengesetzten Quarks besteht. Zwischen den Quarks herrscht ein Gluonen-Kraftfeld. Im Allgemeinen ist ein Kraftfeld (z. B. ein Gravitations- oder elektrisches Feld) eine Art materielle „Einheit“, die den Raum durchdringt und es Teilchen ermöglicht, einen starken Einfluss aufeinander auszuüben. Auch in der Quantentheorie besteht das Feld aus Teilchen, allerdings aus besonderen – virtuellen. Die Anzahl dieser Teilchen ist nicht festgelegt; sie „knospen“ ständig von Quarks ab und werden von anderen Quarks absorbiert.
Ausruhen Ein Proton kann man sich eigentlich als drei Quarks vorstellen, zwischen denen Gluonen springen. Wenn wir jedoch dasselbe Proton aus einem anderen Bezugsrahmen betrachten, als ob wir es aus dem Fenster eines vorbeifahrenden „relativistischen Zuges“ betrachten würden, werden wir ein völlig anderes Bild sehen. Diese virtuellen Gluonen, die die Quarks zusammenklebten, erscheinen weniger virtuell, sondern als „realere“ Teilchen. Sie werden natürlich immer noch von Quarks geboren und absorbiert, aber gleichzeitig leben sie einige Zeit alleine und fliegen wie echte Teilchen neben den Quarks. Was in einem Bezugssystem wie ein einfaches Kraftfeld aussieht, verwandelt sich in einem anderen Bezugssystem in einen Teilchenstrom! Beachten Sie, dass wir das Proton selbst nicht berühren, sondern es nur aus einem anderen Bezugsrahmen betrachten.
Außerdem. Je näher die Geschwindigkeit unseres „relativistischen Zuges“ an der Lichtgeschwindigkeit liegt, desto erstaunlicher wird das Bild, das wir im Inneren des Protons sehen werden. Wenn wir uns der Lichtgeschwindigkeit nähern, werden wir feststellen, dass sich im Proton immer mehr Gluonen befinden. Darüber hinaus spalten sie sich manchmal in Quark-Antiquark-Paare auf, die ebenfalls in der Nähe fliegen und ebenfalls als Partonen gelten. Infolgedessen erscheint ein ultrarelativistisches Proton, d. h. ein Proton, das sich relativ zu uns mit einer Geschwindigkeit sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit bewegt, in Form sich durchdringender Wolken aus Quarks, Antiquarks und Gluonen, die zusammenfliegen und sich scheinbar gegenseitig unterstützen (Abb . 3).
Ein Leser, der mit der Relativitätstheorie vertraut ist, könnte besorgt sein. Die gesamte Physik basiert auf dem Prinzip, dass jeder Prozess in allen Trägheitsbezugssystemen gleich abläuft. Aber es stellt sich heraus, dass die Zusammensetzung des Protons vom Bezugsrahmen abhängt, von dem aus wir es beobachten?!
Ja, genau, aber das verstößt in keiner Weise gegen das Relativitätsprinzip. Die Ergebnisse physikalischer Prozesse – beispielsweise welche Teilchen und wie viele bei einer Kollision entstehen – erweisen sich zwar als invariant, obwohl die Zusammensetzung des Protons vom Bezugssystem abhängt.
Diese auf den ersten Blick ungewöhnliche, aber allen physikalischen Gesetzen entsprechende Situation ist in Abbildung 4 schematisch dargestellt. Sie zeigt, wie die Kollision zweier Protonen mit hoher Energie in verschiedenen Bezugssystemen aussieht: im Ruhesystem eines Protons, in das Schwerpunktsystem, im Ruhesystem ein anderes Proton. Die Wechselwirkung zwischen Protonen erfolgt durch eine Kaskade spaltender Gluonen, aber nur in einem Fall wird diese Kaskade als das „Innere“ eines Protons betrachtet, in einem anderen Fall wird sie als Teil eines anderen Protons betrachtet und im dritten Fall ist sie einfach etwas Gegenstand, der zwischen zwei Protonen ausgetauscht wird. Diese Kaskade existiert, sie ist real, aber welchem Teil des Prozesses sie zuzuordnen ist, hängt vom Bezugsrahmen ab.
3D-Porträt eines Protons
Alle Ergebnisse, über die wir gerade gesprochen haben, basieren auf Experimenten, die vor langer Zeit durchgeführt wurden – in den 60er und 70er Jahren des letzten Jahrhunderts. Es scheint, als hätte seitdem alles untersucht werden müssen und alle Fragen hätten ihre Antworten finden müssen. Aber nein – die Struktur des Protons bleibt nach wie vor eines der interessantesten Themen der Teilchenphysik. Darüber hinaus ist das Interesse daran in den letzten Jahren wieder gestiegen, weil Physiker herausgefunden haben, wie man ein „dreidimensionales“ Porträt eines sich schnell bewegenden Protons erhält, was sich als viel schwieriger herausstellte als das Porträt eines stationären Protons.
Klassische Experimente zu Protonenkollisionen geben nur Auskunft über die Anzahl der Partonen und ihre Energieverteilung. An solchen Experimenten nehmen Partonen als eigenständige Objekte teil, was bedeutet, dass man aus ihnen nicht herausfinden kann, wie die Partonen relativ zueinander angeordnet sind oder wie genau sie sich zu einem Proton addieren. Wir können sagen, dass den Physikern lange Zeit nur ein „eindimensionales“ Porträt eines sich schnell bewegenden Protons zur Verfügung stand.
Um ein reales, dreidimensionales Porträt eines Protons zu erstellen und die Verteilung der Partonen im Raum herauszufinden, sind weitaus subtilere Experimente erforderlich, als sie vor 40 Jahren möglich waren. Physiker haben erst vor Kurzem gelernt, solche Experimente durchzuführen, buchstäblich im letzten Jahrzehnt. Sie erkannten, dass es unter der Vielzahl unterschiedlicher Reaktionen, die beim Zusammenstoß eines Elektrons mit einem Proton ablaufen, eine besondere Reaktion gibt – tiefe virtuelle Compton-Streuung, - die uns etwas über die dreidimensionale Struktur des Protons verraten kann.
Im Allgemeinen ist Compton-Streuung oder Compton-Effekt der elastische Stoß eines Photons mit einem Teilchen, beispielsweise einem Proton. Es sieht so aus: Ein Photon kommt an, wird von einem Proton absorbiert, das für kurze Zeit in einen angeregten Zustand übergeht, dann in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt und ein Photon in eine bestimmte Richtung aussendet.
Die Compton-Streuung gewöhnlicher Lichtphotonen führt zu nichts Interessantem – es handelt sich lediglich um die Reflexion von Licht von einem Proton. Damit die innere Struktur des Protons „ins Spiel kommt“ und die Verteilung der Quarks „spürbar“ wird, müssen Photonen sehr hoher Energie eingesetzt werden – milliardenfach mehr als bei gewöhnlichem Licht. Und genau solche Photonen – wenn auch virtuelle – werden leicht von einem einfallenden Elektron erzeugt. Wenn wir nun beides miteinander kombinieren, erhalten wir eine tiefe virtuelle Compton-Streuung (Abb. 5).
Das Hauptmerkmal dieser Reaktion ist, dass sie das Proton nicht zerstört. Das einfallende Photon trifft nicht einfach auf das Proton, sondern tastet es gewissermaßen vorsichtig ab und fliegt dann davon. Die Richtung, in die es wegfliegt und welchen Teil der Energie das Proton ihm entzieht, hängt von der Struktur des Protons ab, von der relativen Anordnung der Partonen in seinem Inneren. Aus diesem Grund ist es durch die Untersuchung dieses Prozesses möglich, das dreidimensionale Erscheinungsbild des Protons wiederherzustellen, als ob es „seine Skulptur formen“ würde.
Das ist für einen Experimentalphysiker zwar sehr schwierig. Der erforderliche Vorgang kommt recht selten vor und es ist schwierig, ihn zu registrieren. Die ersten experimentellen Daten zu dieser Reaktion wurden erst 2001 am HERA-Beschleuniger des deutschen Beschleunigerkomplexes DESY in Hamburg gewonnen; Eine neue Datenreihe wird derzeit von Experimentatoren verarbeitet. Doch schon heute zeichnen Theoretiker auf Basis der ersten Daten dreidimensionale Verteilungen von Quarks und Gluonen im Proton. Aus dem Experiment „entstand“ schließlich eine physikalische Größe, über die die Physiker bislang nur Vermutungen anstellten.
Erwarten uns in diesem Bereich unerwartete Entdeckungen? Es ist wahrscheinlich, dass ja. Nehmen wir zur Veranschaulichung an, dass im November 2008 ein interessanter theoretischer Artikel erschien, der besagt, dass ein sich schnell bewegendes Proton nicht wie eine flache Scheibe, sondern wie eine bikonkave Linse aussehen sollte. Dies geschieht dadurch, dass die im zentralen Bereich des Protons sitzenden Partonen in Längsrichtung stärker komprimiert werden als die an den Rändern sitzenden Partonen. Es wäre sehr interessant, diese theoretischen Vorhersagen experimentell zu überprüfen!
Warum ist das alles für Physiker interessant?
Warum müssen Physiker überhaupt genau wissen, wie die Materie in Protonen und Neutronen verteilt ist?
Erstens erfordert dies die Logik der Entwicklung der Physik. Es gibt viele erstaunlich komplexe Systeme auf der Welt, mit denen die moderne theoretische Physik noch nicht vollständig umgehen kann. Hadronen sind ein solches System. Indem wir die Struktur von Hadronen verstehen, verbessern wir die Fähigkeiten der theoretischen Physik, die sich durchaus als universell erweisen und möglicherweise bei etwas ganz anderem helfen werden, beispielsweise bei der Untersuchung von Supraleitern oder anderen Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften.
Zweitens gibt es einen direkten Nutzen für die Kernphysik. Trotz der fast hundertjährigen Geschichte der Erforschung von Atomkernen kennen Theoretiker das genaue Gesetz der Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen immer noch nicht.
Sie müssen dieses Gesetz teilweise anhand experimenteller Daten erraten und teilweise anhand von Kenntnissen über die Struktur von Nukleonen konstruieren. Hier helfen neue Daten zur dreidimensionalen Struktur von Nukleonen.
Drittens gelang es den Physikern vor einigen Jahren, nicht weniger als einen neuen Aggregatzustand der Materie zu erreichen – Quark-Gluon-Plasma. In diesem Zustand sitzen Quarks nicht in einzelnen Protonen und Neutronen, sondern bewegen sich frei durch die gesamte Ansammlung von Kernmaterie. Dies lässt sich beispielsweise so erreichen: Schwere Kerne werden in einem Beschleuniger auf eine Geschwindigkeit sehr nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und kollidieren dann frontal. Bei dieser Kollision entstehen für sehr kurze Zeit Temperaturen von Billionen Grad, die die Kerne zu Quark-Gluon-Plasma schmelzen lassen. Es stellt sich also heraus, dass theoretische Berechnungen dieses Kernschmelzens gute Kenntnisse der dreidimensionalen Struktur von Nukleonen erfordern.
Schließlich sind diese Daten für die Astrophysik sehr wichtig. Wenn schwere Sterne am Ende ihres Lebens explodieren, hinterlassen sie oft extrem kompakte Objekte – Neutronen- und möglicherweise Quarksterne. Der Kern dieser Sterne besteht vollständig aus Neutronen und möglicherweise sogar aus kaltem Quark-Gluon-Plasma. Solche Sterne sind schon lange entdeckt, doch was in ihrem Inneren vor sich geht, kann man nur vermuten. Ein gutes Verständnis der Quarkverteilungen kann daher zu Fortschritten in der Astrophysik führen.
