Mokslinės konsultacijos branduolių sintezės klausimais. Protonai ir neutronai: pandemonis materijos viduje Iš dviejų protonų ir dviejų neutronų
Aktobė, 2014 m
Hadronas. Elementariųjų dalelių klasė, dalyvaujanti stiprioje sąveikoje. Hadronai susideda iš kvarkų ir skirstomi į dvi grupes: barionus (iš trijų kvarkų) ir mezonus (iš kvarko ir antikvarko). Didžiąją dalį mūsų stebimos medžiagos sudaro barionai: protonai ir nukleonai, kurie yra atomų branduolių dalis.
Radioaktyvaus šaltinio veikla- bendro radioaktyviųjų branduolių skilimo radioaktyviajame šaltinyje skaičiaus ir skilimo laiko santykis.
Alfa spinduliuotė- jonizuojančiosios spinduliuotės rūšis - teigiamai įkrautų dalelių (alfa dalelių) srautas, išsiskiriantis radioaktyvaus skilimo ir branduolinių reakcijų metu. Alfa spinduliuotės prasiskverbimo galia yra maža (ją užstoja popieriaus lapas). Alfa spinduliuotės šaltiniams į organizmą patekti per maistą, orą ar pažeistą odą itin pavojinga.
Alfa skilimas(arba α-skilimas) – spontaniškas alfa dalelių (helio atomų branduolių) išmetimas iš atomų branduolių
Alfa dalelė- dalelė, susidedanti iš dviejų protonų ir dviejų neutronų. Identiškas helio atomo branduoliui.
Sunaikinimas- elementariosios dalelės ir antidalelės sąveika, dėl kurios jos išnyksta, o jų energija paverčiama elektromagnetine spinduliuote.
Anihiliacija – tai dalelės ir antidalelės, susidūrimo metu virstančios kitomis dalelėmis, reakcija.
Antidalelė yra dalelė, kuri turi tokias pačias masės, sukimosi, krūvio ir kitų fizinių savybių reikšmes kaip ir „dvynių“ dalelė, tačiau skiriasi nuo jos kai kurių sąveikos charakteristikų požymiais (pavyzdžiui, elektros krūvio ženklu). .
Antidalelės – tai paprastų elementariųjų dalelių dvyniai, kurie nuo pastarųjų skiriasi savo elektros krūvio ženklu ir kai kurių kitų charakteristikų ženklais. Dalelių ir antidalelių masės, sukimai ir gyvavimo laikas yra vienodi.
AC- atominė elektrinė - pramonės įmonė, gaminanti elektros ar šiluminę energiją naudojant vieną ar daugiau branduolinių reaktorių ir reikalingų sistemų, prietaisų, įrangos ir konstrukcijų komplektą su reikiamu personalu,
Atom- mažiausia cheminio elemento dalelė, išlaikanti savo savybes. Susideda iš branduolio su protonais ir neutronais bei elektronais, judančiais aplink branduolį. Elektronų skaičius atome yra lygus protonų skaičiui branduolyje.
Atominė masė- cheminio elemento atomo masė, išreikšta atominės masės vienetais (amu). Už 1 amu Priimama 1/12 anglies izotopo masės, kurios atominė masė 12. 1 amu = 1.6605655·10-27 kg. Atominė masė yra visų tam tikrame atome esančių protonų ir neutronų masių suma.
Atomo branduolys- teigiamai įkrauta centrinė atomo dalis, aplink kurią sukasi elektronai ir kurioje sutelkta beveik visa atomo masė. Susideda iš protonų ir neutronų. Branduolinis krūvis nustatomas pagal bendrą protonų krūvį branduolyje ir atitinka cheminio elemento atominį skaičių periodinėje elementų lentelėje.
Barionai– dalelės, susidedančios iš trijų kvarkų, kurios lemia jų kvantinius skaičius. Visi barionai, išskyrus protoną, yra nestabilūs.
Sandėliavimo baseinas- atominės elektrinės reaktoriaus aikštelėje esantis įrenginys, skirtas laikinai po vandens sluoksniu saugoti panaudotą branduolinį kurą, siekiant sumažinti radioaktyvumą ir skilimo šilumą.
Bekerelis(Bq) – radioaktyviosios medžiagos aktyvumo SI vienetas. 1 Bq yra lygus radioaktyviosios medžiagos aktyvumui, kai vienas skilimo įvykis įvyksta per 1 s.
β γ spinduliai- greitųjų elektronų srautas.
α spinduliai- helio branduolių srautas.
γ spinduliai- elektromagnetinės bangos, kurių bangos ilgis labai trumpas (L ~ 10 -10 m).
Beta spinduliuotė- jonizuojančiosios spinduliuotės rūšis - elektronų arba pozitronų srautas, išsiskiriantis branduolinių reakcijų ar radioaktyvaus skilimo metu. Beta spinduliuotė gali prasiskverbti į kūno audinius iki 1 cm gylio.Ji kelia pavojų žmogui tiek išorinės, tiek vidinės apšvitos požiūriu.
Beta dalelės– atomų branduolių skleidžiami elektronai ir pozitronai, taip pat laisvasis neutronas beta skilimo metu. Atominio branduolio elektroninio beta skilimo metu išsiskiria elektronas e - (taip pat ir antineutrinas), branduolių pozitronų skilimo metu – pozitronas e + (ir neutrinas ν). Skilus laisvajam neutronui (n), susidaro protonas (p), elektronas ir antineutrinas: n → p + e - + .
Elektronas ir pozitronas– stabilios dalelės, kurių sukinys J = 1/2 (vidinis mechaninis kampinis momentas), priklausančios leptonų klasei. Pozitronas yra elektrono antidalelė.
Biologinė apsauga- aplink reaktoriaus aktyvią zoną ir jos aušinimo sistemą sukurtas spinduliuotės barjeras, siekiant užkirsti kelią žalingam neutronų ir gama spinduliuotės poveikiui personalui, visuomenei ir aplinkai. Atominėje elektrinėje pagrindinė biologinės apsaugos medžiaga yra betonas. Didelės galios reaktoriams betoninio apsauginio ekrano storis siekia kelis metrus.
Bozonai(iš indų fiziko S. Bose vardo) – elementarios dalelės, atomų branduoliai, atomai su nuliniu arba sveiku skaičiumi sukiniu (0ћ, 1ћ, 2ћ, …).
Greitieji neutronai- neutronai, kurių kinetinė energija yra didesnė už tam tikrą tam tikrą vertę. Ši vertė gali skirtis plačiame diapazone ir priklauso nuo pritaikymo (reaktoriaus fizikos, apsaugos ar dozimetrijos). Reaktoriaus fizikoje ši vertė dažniausiai pasirenkama 0,1 MeV.
Vilsono kamera– elementariųjų įkrautų dalelių pėdsakų detektorius, kuriame dalelės pėdsaką (pėdsaką) sudaro mažų skysčio lašelių grandinė, išilgai jos judėjimo trajektorija.
Gama spinduliuotė- jonizuojančiosios spinduliuotės rūšis - elektromagnetinė spinduliuotė, skleidžiama radioaktyvaus skilimo ir branduolinių reakcijų metu, sklindanti šviesos greičiu ir turinti didelę energiją bei prasiskverbimą. Efektyviai susilpnėja sąveikaujant su sunkiais elementais, pvz., švinu. Gama spinduliuotei slopinti atominių elektrinių branduoliniuose reaktoriuose naudojamas storasienis apsauginis ekranas iš betono.
Radioaktyvaus skilimo dėsnis- dėsnis, pagal kurį randamas nesuirusių atomų skaičius: N = N 0 2 -t/T.
Deuteris- „sunkusis“ vandenilio izotopas, kurio atominė masė 2.
Jonizuojančiosios spinduliuotės detektorius- jautrus matavimo priemonės elementas, skirtas jonizuojančiai spinduliuotei registruoti. Jo veikimas pagrįstas reiškiniais, atsirandančiais, kai spinduliuotė praeina per medžiagą.
Radiacijos dozė- radiacinės saugos srityje - jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio biologiniam objektui, ypač žmogui, matas. Yra ekspozicijos, sugertos ir lygiavertės dozės.
Perteklinė masė(arba masės defektas) – išreikštas energijos vienetais, skirtumas tarp neutralaus atomo masės ir šio atomo branduolyje esančių nukleonų skaičiaus sandaugos (bendro protonų ir neutronų skaičiaus) vienam atomo masės vienetui.
Izotopai- nuklidai, kurių atominis skaičius yra toks pat, bet skirtingos atominės masės (pavyzdžiui, uranas-235 ir uranas-238).
Izotopai– atomų branduoliai, turintys vienodą protonų skaičių Z, skirtingą neutronų skaičių N ir dėl to skirtingą masės skaičių A = Z + N. Pavyzdys: kalcio Ca izotopai (Z = 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca.
Radioaktyvieji izotopai yra izotopų branduoliai, kuriuose vyksta radioaktyvus skilimas. Dauguma žinomų izotopų yra radioaktyvūs (~3500).
Vilsono kamera- prietaisas dideliu greičiu judančių mikrodalelių (elektronų, protonų, alfa dalelių ir kt.) pėdsakams stebėti. 1912 m. sukūrė anglų fizikas Wilsonas.
Kvarkas yra elementari įkrauta dalelė, dalyvaujanti stiprioje sąveikoje. Protonus ir neutronus sudaro trys kvarkai.
Kosminė spinduliuotė- foninė jonizuojanti spinduliuotė, kurią sudaro pirminė spinduliuotė, sklindanti iš kosmoso, ir antrinė spinduliuotė, atsirandanti dėl pirminės spinduliuotės sąveikos su atmosfera.
Kosminiai spinduliai – tai didelės energijos įkrautų elementariųjų dalelių (daugiausia protonų, alfa dalelių ir elektronų) srautai, sklindantys tarpplanetinėje ir tarpžvaigždinėje erdvėje ir nuolat „bombarduojantys“ Žemę.
Dauginimosi greitis- svarbiausia dalijimosi grandininės reakcijos charakteristika, parodanti tam tikros kartos neutronų skaičiaus ir ankstesnės kartos neutronų skaičiaus santykį begalinėje aplinkoje. Dažnai naudojamas ir kitas dauginimo koeficiento apibrėžimas – neutronų susidarymo ir sugerties greičių santykis.
Kritinė masė- mažiausia kuro masė, kurioje gali įvykti savaime išsilaikanti branduolio dalijimosi grandininė reakcija, atsižvelgiant į tam tikrą šerdies konstrukciją ir sudėtį (priklauso nuo daugelio veiksnių, pavyzdžiui: kuro sudėties, moderatoriaus, šerdies formos ir kt.).
Curie (Ci)- ekstrasisteminis aktyvumo vienetas, iš pradžių 1 g radžio-226 izotopo aktyvumas. 1Ci=3,7·1010 Bq.
Kritinė masė(tk) – mažiausia branduolinio kuro (urano, plutonio) masė, kuriai esant vyksta branduolinė grandininė reakcija.
Curie(Ci) yra radioaktyviosios medžiagos aktyvumo nesisteminis vienetas. 1 Ci = 3,7 10 10 Bq.
Leptonai(iš graikų kalbos leptos - lengvas, mažas) - taškinių dalelių grupė, kurios sukimasis yra 1/2ћ, kurios nedalyvauja stiprioje sąveikoje. Leptono dydis (jei toks yra)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- elektronas (e –) ir elektronų neutrinas (ν e),
- miuonas (μ –) ir miuonas neutrinas (ν μ),
- tau leptonas (τ –) ir tau neutrinas (ν τ),
Magiškieji branduoliai yra atominiai branduoliai, kuriuose yra vadinamieji magiškieji protonų arba neutronų skaičiai.
| Z | |||||||
| N |
Šių branduolių rišamoji energija yra didesnė nei gretimų branduolių. Jie turi didesnę nukleonų atskyrimo energiją ir yra labiau paplitę gamtoje.
Masinis skaičius(A) – bendras nukleonų (protonų ir neutronų) skaičius atomo branduolyje; viena iš pagrindinių atomo branduolio savybių.
Dozės greitis- spinduliuotės dozės padidėjimo per laiko intervalą ir šio intervalo santykis (pavyzdžiui: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, μrem/h, μSv/h).
Neutronas- neutrali elementari dalelė, kurios masė artima protono masei. Kartu su protonais neutronai sudaro atomo branduolį. Laisvoje būsenoje jis yra nestabilus ir skyla į protoną ir elektroną.
Nuklidas- atomo tipas, kurio branduolyje yra tam tikras protonų ir neutronų skaičius, kuriam būdinga atominė masė ir atominis (eilinis) skaičius.
Sodrinimas (izotopu):
2. Procesas, kurio metu izotopų mišinyje padidėja konkretaus izotopo kiekis.
Urano rūdos sodrinimas- mineralinių urano turinčių žaliavų pirminio perdirbimo procesų rinkinys, kurio tikslas - atskirti uraną nuo kitų mineralų, sudarančių rūdą. Šiuo atveju mineralų sudėtis nesikeičia, o tik mechaninis jų atskyrimas, kad būtų gautas rūdos koncentratas.
Prisodrintas branduolinis kuras- branduolinis kuras, kuriame skiliųjų nuklidų kiekis yra didesnis nei pirminėse natūraliose žaliavose.
Prisodrintas uranas- uranas, kuriame urano-235 izotopo kiekis yra didesnis nei gamtiniame urane.
Pusė gyvenimo(T) yra laiko intervalas, per kurį suyra pusė pradinio branduolių skaičiaus.
Pusė gyvenimo– laikas, per kurį suyra pusė radioaktyviųjų branduolių. Šis dydis, žymimas T 1/2, yra tam tikro radioaktyvaus branduolio (izotopo) konstanta. Reikšmė T 1/2 aiškiai apibūdina radioaktyviųjų branduolių skilimo greitį ir yra lygiavertė kitoms dviem konstantoms, apibūdinančioms šį greitį: vidutinei radioaktyvaus branduolio gyvavimo trukmei τ ir radioaktyvaus branduolio skilimo per laiko vienetą tikimybei λ.
Absorbuota radiacijos dozė- jonizuojančiosios spinduliuotės sugertos energijos E ir jos apšvitintos medžiagos masės santykis.
Boro postulatai- pagrindinės prielaidos, kurias be įrodymų pateikė N. Bohr, kurios sudaro atomo kvantinės teorijos pagrindą.
Poslinkio taisyklė: a-skilimo metu branduolys praranda teigiamą krūvį 2e, o jo masė sumažėja maždaug 4 amu; B-skilimo metu branduolio krūvis padidėja 1e, bet masė nekinta.
Radionuklido pusinės eliminacijos laikas- laikas, per kurį tam tikro radionuklido branduolių skaičius dėl savaiminio skilimo sumažės per pusę.
Pozitronas- elektrono antidalelė, kurios masė lygi elektrono masei, bet teigiamas elektros krūvis.
Protonas- stabili teigiamai įkrauta elementarioji dalelė, kurios krūvis 1,61·10-19 C ir masė 1,66·10-27 kg. Protonas sudaro vandenilio atomo „lengvojo“ izotopo (protiumo) branduolį. Protonų skaičius bet kurio elemento branduolyje lemia branduolio krūvį ir to elemento atominį skaičių.
Radioaktyvumas- spontaniškas nestabilaus nuklido transformavimas (radioaktyvus skilimas) į kitą nuklidą, lydimas jonizuojančiosios spinduliuotės emisijos.
Radioaktyvumas- kai kurių atomų branduolių gebėjimas spontaniškai virsti kitais branduoliais, išskiriančiais įvairias daleles.
Radioaktyvusis skilimas- spontaniška branduolio transformacija.
Selekcinis reaktorius- greitas reaktorius, kuriame konversijos koeficientas viršija 1 ir vykdomas išplėstinis branduolinio kuro atkūrimas.
Geigerio skaitiklis(arba Geigerio-Muller skaitiklis) – tai dujomis užpildytas įkrautų elementariųjų dalelių skaitiklis, kurio elektrinis signalas sustiprinamas dėl antrinės skaitiklio dujų tūrio jonizacijos ir nepriklauso nuo dalelės paliekamos energijos. apimtis.
Kuro elementas- kuro elementas. Pagrindinis heterogeninio reaktoriaus aktyviosios zonos konstrukcinis elementas, kurio pavidalu į jį kraunamas kuras. Kuro elementuose vyksta sunkiųjų branduolių U-235, Pu-239 arba U-233 dalijimasis kartu su energijos išsiskyrimu, o šiluminė energija iš jų perduodama į aušinimo skystį. Kuro elementai susideda iš kuro šerdies, apvalkalo ir galinių dalių. Kuro elemento tipas nustatomas pagal reaktoriaus tipą ir paskirtį bei aušinimo skysčio parametrus. Kuro elementas turi užtikrinti patikimą šilumos pašalinimą iš kuro į aušinimo skystį.
Darbinis kūnas- terpė (aušinimo skystis), naudojama šiluminei energijai paversti mechanine energija.
Juodoji medžiaga− nematoma (neskleidžianti ir nesugerianti) medžiaga. Jo egzistavimą neabejotinai liudija gravitaciniai efektai. Stebėjimo duomenys taip pat rodo, kad ši tamsiosios medžiagos energija yra padalinta į dvi dalis:
- pirmoji yra vadinamoji tamsioji medžiaga, kurios tankis
W dm = 0,20–0,25, – nežinomos, silpnai sąveikaujančios masyvios dalelės (ne barionai). Tai galėtų būti, pavyzdžiui, stabilios neutralios dalelės, kurių masė nuo 10 GeV/c2 iki 10 TeV/c2, numatytų supersimetriniais modeliais, įskaitant hipotetinius sunkiuosius neutrinus;
antroji yra vadinamoji tamsioji energija su tankiu
W Λ = 0,70–0,75), kuris interpretuojamas kaip vakuumas. Tai reiškia ypatingą materijos formą – fizinį vakuumą, t.y. erdvėje prasiskverbiančių fizikinių laukų žemiausios energijos būsena.
Termobranduolinės reakcijos− lengvųjų branduolių susiliejimo (sintezės) reakcijos, vykstančios aukštoje temperatūroje. Šios reakcijos dažniausiai yra susijusios su energijos išsiskyrimu, nes sunkesniame branduolyje, susidariusiame dėl susijungimo, nukleonai yra stipriau surišti, t.y. vidutiniškai turi didesnę surišimo energiją nei pradiniuose susiliejančių branduolių. Perteklinė bendroji nukleonų surišimo energija išsiskiria reakcijos produktų kinetinės energijos pavidalu. Pavadinimas „termobranduolinės reakcijos“ atspindi faktą, kad šios reakcijos vyksta esant aukštai temperatūrai. > 10 7 –10 8 K), nes sintezei lengvieji branduoliai turi susijungti iki atstumų, lygių branduolinių traukos jėgų veikimo spinduliui, t.y. iki ≈10 -13 cm atstumų.
Transuraniniai elementai− cheminiai elementai, kurių krūvis (protonų skaičius) didesnis nei urano, t.y. Z>92.
Skilimo grandininė reakcija– savaime išsilaikanti sunkiųjų branduolių dalijimosi reakcija, kurios metu nuolat gaminasi neutronai, dalijantys vis daugiau naujų branduolių.
Skilimo grandininė reakcija- sunkiųjų atomų branduolių dalijimosi reakcijos seka, kai jie sąveikauja su neutronais ar kitomis elementariosiomis dalelėmis, dėl kurių susidaro lengvesni branduoliai, nauji neutronai ar kitos elementarios dalelės ir išsiskiria branduolinė energija.
Branduolinė grandininė reakcija- branduolinių reakcijų seka, sužadinta dalelių (pavyzdžiui, neutronų), gimusių kiekvieno reakcijos įvykio metu. Priklausomai nuo vidutinio reakcijų skaičiaus po vienos ankstesnės – mažesnė už vieną, lygi arba didesnė už vieną – reakcija vadinama nykinčia, savaime besitęsiančia arba didėjančia.
Branduolinės grandininės reakcijos– savaime išsilaikančios branduolinės reakcijos, kuriose nuosekliai dalyvauja branduolių grandinė. Taip atsitinka, kai vienas iš branduolinės reakcijos produktų reaguoja su kitu branduoliu, antrosios reakcijos produktas reaguoja su kitu branduoliu ir pan. Branduolinių reakcijų grandinė seka viena po kitos. Garsiausias tokios reakcijos pavyzdys yra branduolio dalijimosi reakcija, kurią sukelia neutronas
Egzoterminės reakcijos- branduolinės reakcijos, atsirandančios išskiriant energiją.
Elementariosios dalelės- mažiausios fizikinės medžiagos dalelės. Idėjos apie elementariąsias daleles atspindi žinių apie materijos struktūrą stadiją, kurią pasiekė šiuolaikinis mokslas. Kartu su antidalelėmis buvo atrasta apie 300 elementariųjų dalelių. Sąvoka „elementariosios dalelės“ yra sąlyginė, nes daugelis elementariųjų dalelių turi sudėtingą vidinę struktūrą.
Elementariosios dalelės– materialūs objektai, kurių negalima suskirstyti į sudedamąsias dalis. Pagal šį apibrėžimą molekulės, atomai ir atomų branduoliai, kuriuos galima suskirstyti į sudedamąsias dalis, negali būti klasifikuojami kaip elementariosios dalelės – atomas yra padalintas į branduolį ir orbitinius elektronus, branduolys – į nukleonus.
Branduolinės reakcijos energija- skirtumas tarp likusių branduolių ir dalelių energijos prieš ir po reakcijos.
Endoterminės reakcijos- branduolinės reakcijos, atsirandančios absorbuojant energiją.
Atomo branduolio surišimo energija(E St) - apibūdina nukleonų sąveikos branduolyje intensyvumą ir yra lygi maksimaliai energijai, kurią reikia sunaudoti, kad branduolys būtų padalintas į atskirus nesąveikaujančius nukleonus, neperduodant jiems kinetinės energijos.
Mössb efektas uaera - gama kvantų rezonansinės absorbcijos reiškinys atominiuose branduoliuose neprarandant energijos dėl impulso sugrįžimo.
Branduolinis (planetinis) atomo modelis- centre yra teigiamai įkrautas branduolys (skersmuo apie 10 -15 m); aplink šerdį, kaip ir Saulės sistemos planetos, elektronai juda žiedinėmis orbitomis.
Branduoliniai modeliai– supaprastinti teoriniai atomų branduolių aprašymai, pagrįsti branduolio, kaip objekto, turinčio anksčiau žinomomis būdingomis savybėmis, vaizdavimu.
Branduolio dalijimosi reakcija- sunkiųjų elementų atominių branduolių dalijimosi reakcija veikiant neutronams.
Branduolinė reakcija- atomų branduolių transformacijos reakcija dėl sąveikos tarpusavyje arba su bet kokiomis elementariomis dalelėmis.
Atominė energija- tai energija, išsiskirianti dėl vidinio atomo branduolių restruktūrizavimo. Branduolinę energiją galima gauti iš branduolinių reakcijų arba radioaktyvaus branduolių skilimo. Pagrindiniai branduolinės energijos šaltiniai yra sunkiųjų branduolių dalijimosi reakcijos ir lengvųjų branduolių sintezė (kombinacija). Pastarasis procesas dar vadinamas termobranduolinėmis reakcijomis.
Branduolinės pajėgos- jėgos, veikiančios tarp nukleonų atomo branduoliuose ir lemiančios branduolių struktūrą bei savybes. Jie yra trumpo nuotolio, jų nuotolis 10 -15 m.
Branduolinis reaktorius- prietaisas, kuriame vykdoma kontroliuojama grandininė branduolio dalijimosi reakcija.
Savaime išsilaikanti skilimo grandininė reakcija – tai grandininė reakcija terpėje, kurios dauginimo koeficientas k >= 1.
Branduolinė avarija- branduolinė avarija – tai grandininės reakcijos reaktoriuje kontrolės praradimas arba kritinės masės susidarymas perkraunant, transportuojant ir laikant kuro elementus. Branduolinės avarijos pasėkoje dėl susidariusios ir pašalinamos šilumos disbalanso kuro strypai pažeidžiami, išsiskiriant radioaktyviems dalijimosi produktams. Tokiu atveju galimas pavojingas žmonių poveikis ir aplinkinių teritorijų užteršimas. .
Branduolinė sauga- bendras terminas, apibūdinantis branduolinio įrenginio savybes normaliai eksploatuojant ir įvykus avarijai, siekiant apriboti radiacijos poveikį personalui, visuomenei ir aplinkai iki priimtinų ribų.
Branduolio dalijimasis- procesas, lydimas sunkiojo atomo branduolio skilimo sąveikaujant su neutronu ar kita elementaria dalele, dėl kurio susidaro lengvesni branduoliai, nauji neutronai ar kitos elementarios dalelės ir išsiskiria energija.
Branduolinė medžiaga- bet kokia žaliava, speciali branduolinė medžiaga ir kartais rūdos bei rūdos atliekos.
Branduolinė transformacija- vieno nuklido pavertimas kitu.
Branduolinis reaktorius- prietaisas, kuriame vyksta kontroliuojama branduolinė grandininė reakcija. Branduoliniai reaktoriai klasifikuojami pagal paskirtį, neutronų energiją, aušinimo skysčio ir moderatoriaus tipą, aktyviosios zonos struktūrą, konstrukciją ir kitus būdingus požymius.
Branduolinė reakcija- atomų branduolių transformacija, kurią sukelia jų sąveika su elementariosiomis dalelėmis arba tarpusavyje ir kartu keičiasi branduolių masė, krūvis arba energijos būsena.
Branduolinis kuras- medžiaga, kurioje yra skiliųjų nuklidų, kurios, patalpintos į branduolinį reaktorių, leidžia įvykti branduolinei grandininei reakcijai. Jis pasižymi labai dideliu energijos intensyvumu (visiškai suskilus 1 kg U-235, išsiskiria J energija, o sudegus 1 kg organinio kuro išsiskiria maždaug (3-5) J energija, priklausomai nuo dėl kuro rūšies).
Branduolinio kuro ciklas- priemonių rinkinys, užtikrinantis branduolinių reaktorių veikimą, vykdomą įmonių, sujungtų branduolinių medžiagų srautu, sistemoje, įskaitant urano kasyklas, urano rūdos perdirbimo, urano konversijos, sodrinimo ir kuro gamybos įrenginius, branduolinius reaktorius, panaudotą kurą. saugyklos, panaudoto kuro perdirbimo įrenginių kuras ir susijusios tarpinės saugyklos bei radioaktyviųjų atliekų laidojimo įrenginiai
Branduolinė instaliacija- bet kuris objektas, kuriame radioaktyviųjų ar skiliųjų medžiagų susidaro, apdorojama arba tvarkoma toks kiekis, kad būtina atsižvelgti į branduolinės saugos klausimus.
Atominė energija- branduolių dalijimosi ar branduolinių reakcijų metu išsiskiriančių atomų branduolių vidinė energija.
Branduolinis reaktorius– branduolinis reaktorius, kurio pagrindinė paskirtis – gaminti energiją.
Branduolinis reaktorius- Branduolinis reaktorius yra įrenginys, skirtas organizuoti kontroliuojamą savaime išsilaikančią dalijimosi grandininę reakciją - branduolio dalijimosi reakcijų seką, kurios metu išsiskiria laisvieji neutronai, reikalingi naujiems branduoliams dalytis.
Greitųjų neutronų branduolinis reaktorius- reaktoriai labai skiriasi neutronų spektru - neutronų pasiskirstymu pagal energiją, taigi ir absorbuotų (sukeliančių branduolio dalijimąsi) neutronų spektru. Jei šerdyje nėra lengvųjų branduolių, specialiai sukurtų susilpninti dėl elastinės sklaidos, tai beveik visas nuosaikumas atsiranda dėl neelastinio neutronų sklaidos sunkiųjų ir vidutinės masės branduoliuose. Šiuo atveju daugumą dalijimosi sukelia neutronai, kurių energija yra dešimtys ir šimtai keV. Tokie reaktoriai vadinami greitųjų neutronų reaktoriais.
Terminis neutroninis branduolinis reaktorius- reaktorius, kurio šerdyje yra toks kiekis stabdiklio – medžiagos, skirtos neutronų energijai sumažinti jų pastebimai nesugeriant – kad daugumą dalijimosi sukelia neutronai, kurių energija mažesnė nei 1 eV.
Branduolinės pajėgos- jėgos, laikančios branduolyje nukleonus (protonus ir neutronus).
Branduolinės jėgos yra trumpo veikimo . Jie atsiranda tik labai nedideliais atstumais tarp 10 -15 m eilės nukleonų. Ilgis (1,5 - 2,2) 10 -15 vadinamas branduolinių jėgų diapazonas .
Branduolinės pajėgos atranda apmokestinimo nepriklausomybė , t.y., trauka tarp dviejų nukleonų yra vienoda nepriklausomai nuo nukleonų įkrovos būsenos – protono ar neutrono.
Branduolinės pajėgos turi prisotinimo savybė , kuri pasireiškia tuo, kad branduolyje esantis nukleonas sąveikauja tik su ribotu skaičiumi arčiausiai jo esančių gretimų nukleonų. Beveik visiškas branduolinių jėgų prisotinimas pasiekiamas α-dalelėje, kuri yra labai stabili darinys.
Branduolinės pajėgos priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukinių orientacijos . Tai patvirtina skirtingas orto ir vandenilio garų molekulių neutronų sklaidos pobūdis.
Branduolinės pajėgos nėra centrinės jėgos .
- Vertimas
Kiekvieno atomo centre yra branduolys, mažytė dalelių, vadinamų protonais ir neutronais, rinkinys. Šiame straipsnyje mes tyrinėsime protonų ir neutronų, kurie susideda iš dar mažesnių dalelių – kvarkų, gliuonų ir antikvarkų, prigimtį. (Gluonai, kaip ir fotonai, yra jų pačių antidalelės.) Kvarkai ir gliuonai, kiek žinome, gali būti tikrai elementarūs (nedalomi ir nesusidarantys iš nieko mažesnio dydžio). Bet jiems vėliau.
Keista, bet protonų ir neutronų masė yra beveik tokia pati – procentais:
- 0,93827 GeV/c 2 protonui,
- 0,93957 GeV/c 2 neutronui.
Kadangi jie yra tokie panašūs ir todėl, kad šios dalelės sudaro branduolius, protonai ir neutronai dažnai vadinami nukleonais.
Protonai buvo identifikuoti ir aprašyti apie 1920 m. (nors jie buvo atrasti anksčiau; vandenilio atomo branduolys yra tik vienas protonas), o neutronai buvo atrasti apie 1933 m. Beveik iš karto buvo suprasta, kad protonai ir neutronai yra tokie panašūs vienas į kitą. Tačiau faktas, kad jų dydis yra lyginamas su branduolio dydžiu (maždaug 100 000 kartų mažesnis už atomo spindulį), buvo žinomas tik 1954 m. Kad jie susideda iš kvarkų, antikvarkų ir gliuonų, buvo palaipsniui suprantama nuo septintojo dešimtmečio vidurio iki aštuntojo dešimtmečio vidurio. 70-ųjų pabaigoje ir 80-ųjų pradžioje mūsų supratimas apie protonus, neutronus ir tai, iš ko jie pagaminti, iš esmės nusistovėjo ir nuo to laiko nepasikeitė.
Nukleonus apibūdinti daug sunkiau nei atomus ar branduolius. Negalima sakyti, kad atomai iš principo yra paprasti, bet bent jau galima negalvojant pasakyti, kad helio atomas susideda iš dviejų elektronų, skriejančių aplink mažytį helio branduolį; o helio branduolys yra gana paprasta dviejų neutronų ir dviejų protonų grupė. Tačiau su nukleonais viskas nėra taip paprasta. Jau rašiau straipsnyje „Kas yra protonas ir kas jo viduje?“, kad atomas – kaip elegantiškas menuetas, o nukleonas – kaip laukinis vakarėlis.
Atrodo, kad protono ir neutrono sudėtingumas yra tikras ir kyla ne dėl neišsamių fizikos žinių. Turime lygtis, naudojamas apibūdinti kvarkus, antikvarkus ir gliuonus bei tarp jų vykstančią stiprią branduolinę sąveiką. Šios lygtys vadinamos QCD, iš kvantinės chromodinamikos. Lygčių tikslumą galima išbandyti įvairiais būdais, įskaitant dalelių, pagamintų dideliame hadronų greitintuve, skaičių. Įjungę QCD lygtis į kompiuterį ir atlikę protonų ir neutronų bei kitų panašių dalelių (bendrai vadinamų „hadronais“) savybių skaičiavimus, gauname šių dalelių savybių prognozes, kurios artimai atitinka realiame pasaulyje atliktus stebėjimus. Todėl turime pagrindo manyti, kad QCD lygtys nemeluoja ir kad mūsų žinios apie protoną ir neutroną yra pagrįstos teisingomis lygtimis. Tačiau vien tik tinkamų lygčių neužtenka, nes:
- Paprastos lygtys gali turėti labai sudėtingus sprendimus,
- Kartais neįmanoma paprastai apibūdinti sudėtingų sprendimų.
Dėl nukleonams būdingo sudėtingumo jūs, skaitytojai, turėsite pasirinkti: kiek norite sužinoti apie aprašytą sudėtingumą? Kad ir kaip toli eitumėte, pasitenkinimo tai greičiausiai nesuteiks: kuo daugiau sužinosite, tuo tema taps aiškesnė, tačiau galutinis atsakymas išliks tas pats – protonas ir neutronas yra labai sudėtingi. Galiu pasiūlyti tris supratimo lygius su vis daugiau detalių; galite sustoti po bet kurio lygio ir pereiti prie kitų temų arba galite pasinerti iki paskutinio. Kiekvienas lygis kelia klausimų, į kuriuos iš dalies galiu atsakyti kitame, tačiau nauji atsakymai kelia naujų klausimų. Galiausiai – kaip ir profesinėse diskusijose su kolegomis ir pažengusiais studentais – galiu remtis tik realių eksperimentų metu gautais duomenimis, įvairiais įtakingais teoriniais argumentais ir kompiuteriniais modeliavimais.
Pirmasis supratimo lygis
Iš ko sudaryti protonai ir neutronai?Ryžiai. 1: pernelyg supaprastinta protonų versija, kurią sudaro tik du aukštyn ir vienas žemyn kvarkas, ir neutronai, susidedantys tik iš dviejų apatinių kvarkų ir vieno aukštyn kvarko
Kad būtų paprasčiau, daugelyje knygų, straipsnių ir svetainių nurodoma, kad protonai susideda iš trijų kvarkų (du aukštyn kvarkai ir vienas žemyn kvarkai), ir piešia kažką panašaus į Fig. 1. Neutronas yra tas pats, tik susidedantis iš vieno aukštyn ir dviejų žemyn nukreiptų kvarkų. Šis paprastas vaizdas iliustruoja tai, kuo kai kurie mokslininkai tikėjo, dažniausiai septintajame dešimtmetyje. Tačiau netrukus tapo aišku, kad šis požiūris buvo per daug supaprastintas, kad jis nebėra teisingas.
Iš sudėtingesnių informacijos šaltinių sužinosite, kad protonai susideda iš trijų kvarkų (du aukštyn ir vieną žemyn), kuriuos kartu laiko gliuonai – ir gali pasirodyti vaizdas, panašus į 1 pav. 2, kur gliuonai brėžiami kaip spyruoklės arba stygos, laikančios kvarkus. Neutronai yra vienodi, tik su vienu aukštyn ir dviem žemyn kvarkais.
Ryžiai. 2: tobulinimas pav. 1 dėl to, kad pabrėžiamas svarbus stiprios branduolinės jėgos, laikančios kvarkus protone, vaidmuo.
Tai nėra toks blogas būdas apibūdinti nukleonus, nes pabrėžiamas svarbus stiprios branduolinės jėgos, sulaikančios kvarkus protone gliuonų sąskaita, vaidmuo (kaip pat fotonas, šviesą sudaranti dalelė, yra susijęs su elektromagnetinė jėga). Tačiau tai taip pat kelia painiavą, nes iš tikrųjų nepaaiškina, kas yra gliuonai ar ką jie daro.
Yra priežasčių eiti į priekį ir aprašyti dalykus taip, kaip aš: protoną sudaro trys kvarkai (du aukštyn ir vienas žemyn), krūva gluonų ir kalnas kvarkų ir antikvarkų porų (daugiausia kvarkų aukštyn ir žemyn, bet taip pat yra keletas keistų) . Visi jie skraido pirmyn ir atgal labai dideliu greičiu (artėdami prie šviesos greičio); visą šį rinkinį laiko stipri branduolinė jėga. Aš tai pademonstravau pav. 3. Neutronai vėl tokie patys, bet su vienu aukštyn ir dviem žemyn kvarkais; Kvarkas, pakeitęs savo tapatybę, pažymėtas rodykle.
Ryžiai. 3: tikroviškesnis, nors ir netobulas, protonų ir neutronų vaizdavimas
Šie kvarkai, antikvarkai ir gliuonai ne tik pašėlusiai veržiasi pirmyn ir atgal, bet ir susiduria vienas su kitu bei virsta vienas kitu per tokius procesus kaip dalelių anihiliacija (kurio metu to paties tipo kvarkas ir antikvarkas virsta dviem gliuonais, arba atvirkščiai) arba gliuono absorbcija ir emisija (kai kvarkas ir gliuonas gali susidurti ir pagaminti kvarką ir du gliuonus, arba atvirkščiai).
Ką bendro turi šie trys aprašymai:
- Du aukštyn ir žemyn kvarkai (ir dar kažkas) protonui.
- Neutronas turi vieną aukštyn kvarką ir du žemyn kvarkus (ir dar kažką).
- Neutronų „kažkas kitas“ sutampa su protonų „kažkuo kitu“. Tai yra, nukleonai turi tą patį „kažką kitą“.
- Nedidelis protono ir neutrono masės skirtumas atsiranda dėl apatinio ir aukštojo kvarko masių skirtumo.
- viršutinių kvarkų elektros krūvis yra lygus 2/3 e (kur e yra protono krūvis, -e yra elektrono krūvis),
- dugno kvarkai turi -1/3e krūvį,
- gliuonai turi 0 krūvį,
- bet kurio kvarko ir jį atitinkančio antikvarko bendras krūvis yra 0 (pavyzdžiui, antidown kvarko krūvis yra +1/3e, taigi pūkų kvarko ir pūkinio kvarko krūvis –1/3 e +1/3 e = 0),
- bendras protono elektros krūvis yra 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- bendras neutrono elektrinis krūvis yra 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- kiek „kažko kito“ yra nukleone,
- ką jis ten veikia
- iš kur atsiranda nukleono masė ir masės energija (E = mc 2, ten esanti energija, net kai dalelė yra ramybės būsenoje).
Ryžiai. 1 sako, kad kvarkai iš esmės yra trečdalis nukleono, panašiai kaip protonas ar neutronas yra ketvirtadalis helio branduolio arba 1/12 anglies branduolio. Jei šis vaizdas būtų teisingas, kvarkai nukleone judėtų santykinai lėtai (daug lėčiau nei šviesa), o tarp jų veiktų santykinai silpna sąveika (nors ir su tam tikra galinga jėga, laikančia juos vietoje). Kvarko masė aukštyn ir žemyn būtų maždaug 0,3 GeV/c 2 , maždaug trečdalis protono masės. Tačiau šis paprastas vaizdas ir jo primestos idėjos yra tiesiog klaidingi.
Ryžiai. 3. suteikia visiškai kitokią protoną, kaip jame artimu šviesai greičiu besisukančių dalelių katilą, idėją. Šios dalelės susiduria viena su kita ir šiuose susidūrimuose vienos iš jų sunaikinamos, o kitos susidaro jų vietoje. Gliuonai neturi masės, viršutinių kvarkų masė yra maždaug 0,004 GeV/c 2 , o apatinių kvarkų masė yra 0,008 GeV/c 2 – šimtus kartų mažesnė už protoną. Iš kur atsiranda protonų masės energija, yra sudėtingas klausimas: dalis jos gaunama iš kvarkų ir antikvarkų masės energijos, dalis iš kvarkų, antikvarkų ir gliuonų judėjimo energijos, o dalis (galbūt teigiama, galbūt neigiama) ) iš energijos, sukauptos stiprioje branduolinėje sąveikoje, kartu sulaikant kvarkus, antikvarkus ir gliuonus.
Tam tikra prasme pav. 2 bandymai išspręsti skirtumą tarp Fig. 1 ir pav. 3. Tai supaprastina figūrą. 3, pašalinant daugybę kvarkų ir antikvarkų porų, kurias iš esmės galima pavadinti trumpalaikėmis, nes jos nuolat atsiranda ir išnyksta ir nėra būtinos. Tačiau susidaro įspūdis, kad nukleonuose esantys gliuonai yra tiesioginė stiprios branduolinės jėgos, laikančios protonus, dalis. Ir tai nepaaiškina, iš kur atsiranda protono masė.
Fig. 1, be siaurų protono ir neutrono rėmų, yra dar vienas trūkumas. Tai nepaaiškina kai kurių kitų hadronų savybių, pavyzdžiui, piono ir rho mezono. Fig. turi tas pačias problemas. 2.
Šie apribojimai lėmė tai, kad savo studentams ir savo svetainėje pateikiau paveikslėlį iš Fig. 3. Tačiau noriu perspėti, kad ji taip pat turi daug apribojimų, kuriuos aptarsiu vėliau.
Verta paminėti, kad ypatingas konstrukcijos sudėtingumas, nurodytas Fig. 3 būtų galima tikėtis iš objekto, kurį kartu laiko tokia galinga jėga kaip stipri branduolinė jėga. Ir dar vienas dalykas: trys kvarkai (du aukštyn ir vienas žemyn protonui), kurie nėra kvarkų ir antikvarkų porų grupės dalis, dažnai vadinami „valentingais kvarkais“, o kvarkų ir antikvarkų poros vadinamos „jūra kvarkų poros“. Tokia kalba daugeliu atvejų yra techniškai patogi. Tačiau susidaro klaidingas įspūdis, kad pažvelgus į protono vidų ir pažvelgus į konkretų kvarką, iškart būtų galima suprasti, ar tai jūros dalis, ar valentinis. To padaryti negalima, tokio būdo tiesiog nėra.
Protonų masė ir neutronų masė
Kadangi protono ir neutrono masės yra labai panašios, o protonas ir neutronas skiriasi tik tuo, kad aukštyn kvarką pakeičia žemyn kvarku, tikėtina, kad jų masės pateikiamos vienodai, gaunamos iš to paties šaltinio. , o jų skirtumas yra nedideliame skirtume tarp aukštyn ir žemyn nukreiptų kvarkų. Tačiau trys aukščiau pateikti skaičiai rodo, kad yra trys labai skirtingi požiūriai į protonų masės kilmę.Ryžiai. 1 sako, kad aukštyn ir žemyn kvarkai tiesiog sudaro 1/3 protono ir neutrono masės: maždaug 0,313 GeV/c 2 arba dėl energijos, reikalingos kvarkams laikyti protone. Ir kadangi skirtumas tarp protono ir neutrono masių yra procentinė dalis, skirtumas tarp kvarko aukštyn ir žemyn masių taip pat turi būti procento dalis.
Ryžiai. 2 yra mažiau aiškus. Kiek protono masės susidaro dėl gliuonų? Tačiau iš esmės iš paveikslo matyti, kad didžioji dalis protonų masės vis tiek gaunama iš kvarkų masės, kaip parodyta Fig. 1.
Ryžiai. 3 atspindi labiau niuansuotą požiūrį į tai, kaip iš tikrųjų susidaro protono masė (kaip galime patikrinti tiesiogiai kompiuteriniais protono skaičiavimais ir netiesiogiai naudojant kitus matematinius metodus). Tai labai skiriasi nuo idėjų, pateiktų pav. 1 ir 2, ir tai pasirodo ne taip paprasta.
Norint suprasti, kaip tai veikia, reikia galvoti ne apie protono masę m, o į jo masės energiją E = mc 2 , energiją, susijusią su mase. Konceptualiai teisingas klausimas yra ne „iš kur atsiranda protono m masė“, po kurio galite apskaičiuoti E, padauginę m iš c 2 , bet atvirkščiai: „iš kur atsiranda protono masės E energija, “, po kurio galite apskaičiuoti masę m, padalydami E iš c 2 .
Naudinga suskirstyti įnašus į protonų masės energiją į tris grupes:
A) Jame esančių kvarkų ir antikvarkų masės energija (poilsio energija) (gliuonai, bemasės dalelės neprisideda).
B) Kvarkų, antikvarkų ir gliuonų judėjimo energija (kinetinė energija).
C) Sąveikos energija (rišimo energija arba potenciali energija), sukaupta stiprioje branduolinėje sąveikoje (tiksliau gliuono laukuose), laikančioje protoną.
Ryžiai. 3 sako, kad dalelės protono viduje juda dideliu greičiu ir kad jis pilnas bemasių gliuonų, todėl B) indėlis yra didesnis nei A). Paprastai daugumoje fizinių sistemų B) ir C) yra palyginamos, o C) dažnai yra neigiama. Taigi protono (ir neutrono) masės energija daugiausia gaunama iš B) ir C derinio, o A) sudaro nedidelę dalį. Todėl protono ir neutrono masės atsiranda daugiausia ne dėl juose esančių dalelių masės, o dėl šių dalelių judėjimo energijos ir jų sąveikos energijos, susijusios su gliuono laukais, generuojančiais jėgas, laikančias protonas. Daugumoje kitų mums žinomų sistemų energijos balansas pasiskirsto kitaip. Pavyzdžiui, atomuose ir Saulės sistemoje A) dominuoja, o B) ir C) yra daug mažesni ir palyginamo dydžio.
Apibendrinant, atkreipiame dėmesį, kad:
- Ryžiai. 1 daroma prielaida, kad protonų masės energija gaunama iš A).
- Ryžiai. 2 daroma prielaida, kad abu įnašai A) ir B) yra svarbūs, o B) įneša nedidelį indėlį.
- Ryžiai. 3 rodo, kad B) ir C) yra svarbūs, o A) indėlis yra nereikšmingas.
Jei pav. 3 nemeluoja, kvarko ir antikvarko masės labai mažos. Kokie jie iš tikrųjų? Viršutinio kvarko (taip pat ir antikvarko) masė neviršija 0,005 GeV/c 2, o tai yra daug mažesnė nei 0,313 GeV/c 2, kaip matyti iš Fig. 1. (Aukšto kvarko masę sunku išmatuoti ir ji skiriasi dėl subtilių efektų, todėl gali būti daug mažesnė nei 0,005 GeV/c2). Apatinio kvarko masė yra maždaug 0,004 GeV/s 2 didesnė už viršutinio kvarko masę. Tai reiškia, kad bet kurio kvarko ar antikvarko masė neviršija vieno procento protono masės.
Atkreipkite dėmesį, kad tai reiškia (priešingai nei 1 pav.), kad kvarko ir kvarko masės santykis nepriartėja prie vienybės! Mažojo kvarko masė yra bent du kartus didesnė už kvarko masę. Priežastis, kodėl neutrono ir protono masės yra tokios panašios, yra ne todėl, kad aukštyn ir žemyn kvarkų masės yra panašios, o todėl, kad aukštyn ir žemyn kvarkų masės yra labai mažos – o skirtumas tarp jų mažas, santykinis. protonų ir neutronų masėms. Atminkite, kad norint protoną paversti neutronu, tereikia vieną jo aukštyn kvarką pakeisti žemyniniu kvarku (3 pav.). Šio pakeitimo pakanka, kad neutronas taptų šiek tiek sunkesnis už protoną ir pakeistų jo krūvį nuo +e iki 0.
Beje, tai, kad įvairios dalelės protono viduje susiduria viena su kita, nuolat atsiranda ir išnyksta, mūsų aptariamiems dalykams įtakos neturi – bet kokio susidūrimo metu išsaugoma energija. Kvarkų ir gliuonų masės energija ir judėjimo energija gali kisti, jų sąveikos energija, tačiau bendra protono energija nekinta, nors viskas jo viduje nuolat kinta. Taigi protono masė išlieka pastovi, nepaisant jo vidinio sūkurio.
Šiuo metu galite sustoti ir įsisavinti gautą informaciją. Nuostabu! Beveik visa įprastoje medžiagoje esanti masė gaunama iš atomų nukleonų masės. Ir didžioji dalis šios masės atsiranda dėl chaoso, būdingo protonui ir neutronui – iš kvarkų, gliuonų ir antikvarkų judėjimo energijos nukleonuose ir iš stiprios branduolinės sąveikos energijos, kuri išlaiko nukleoną visoje jo būsenoje. Taip: mūsų planeta, mūsų kūnai, mūsų kvėpavimas yra tokios tylios ir iki šiol neįsivaizduojamos pandemonijos pasekmė.
Visų pirma, reikia suprasti, kad yra keturios atskiros energijos rūšys:
1) cheminė energija, kuria varomi mūsų automobiliai, taip pat dauguma šiuolaikinės civilizacijos prietaisų;
2) branduolio dalijimosi energija, naudojama pagaminti apie 15% mūsų suvartojamos elektros energijos;
3) karštosios branduolių sintezės energija, kuri maitina saulę ir daugumą žvaigždžių;
4) šaltoji branduolių sintezės energija, kurią kai kurie eksperimentuotojai stebi laboratoriniais tyrimais ir kurios egzistavimą dauguma mokslininkų atmeta.
Visų trijų rūšių branduolinės energijos kiekis (šiluma/lb kuro) yra 10 milijonų kartų didesnis nei cheminės energijos. Kuo skiriasi šios energijos rūšys? Norint suprasti šią problemą, reikia turėti tam tikrų chemijos ir fizikos žinių.
Pasinaudoję šios buities prekėmis prekiaujančios internetinės parduotuvės pasiūlymais nesunkiai įsigysite bet kokias prekes palankiomis kainomis.
Gamta mums suteikė dviejų tipų stabiliai įkrautas daleles: protonus ir elektronus. Protonas yra sunki, paprastai labai maža, teigiamai įkrauta dalelė. Elektronas paprastai yra lengvas, didelis, su neryškiomis ribomis ir turi neigiamą krūvį. Teigiami ir neigiami krūviai traukia vienas kitą, kaip magneto šiaurinis polius traukia pietinį polių. Jei magnetas su šiauriniu poliumi priartinamas prie kito magneto pietinio poliaus, jie susidurs. Susidūrimas išskirs nedidelį energijos kiekį šilumos pavidalu, tačiau jis per mažas, kad būtų galima lengvai išmatuoti. Norėdami atskirti magnetus, turėsite dirbti, tai yra eikvoti energiją. Tai maždaug tas pats, kas kelti akmenį atgal į kalną.
Ritant akmenį nuo kalno išsiskiria nedidelis šilumos kiekis, tačiau norint pakelti akmenį atgal reikia energijos.
Lygiai taip pat teigiamas protono krūvis susiduria su neigiamu elektrono krūviu, jie „sulimpa“, išskirdami energiją. Rezultatas yra vandenilio atomas, žymimas H. Vandenilio atomas yra ne kas kita, kaip neryškus elektronas, gaubiantis nedidelį protoną. Jei išmušate elektroną iš vandenilio atomo, gausite teigiamai įkrautą H+ joną, kuris yra ne kas kita, kaip pirminis protonas. „Jonas“ yra pavadinimas, taikomas atomui ar molekulei, kuris prarado arba įgijo vieną ar daugiau elektronų ir todėl nebėra neutralus.
Kaip žinote, gamtoje yra daugiau nei vieno tipo atomai. Turime deguonies atomų, azoto atomų, geležies atomų, helio atomų ir kt. Kuo jie visi skiriasi? Visi jie turi skirtingų tipų branduolius, o visuose branduoliuose yra skirtingas protonų skaičius, o tai reiškia, kad jie turi skirtingus teigiamus krūvius. Helio branduolyje yra 2 protonai, o tai reiškia, kad jo krūvis yra plius 2, o norint neutralizuoti krūvį, reikia 2 elektronų. Kai prie jo „prilimpa“ 2 elektronai, susidaro helio atomas. Deguonies branduolyje yra 8 protonai, o jo krūvis yra 8. Kai prie jo „prilimpa“ 8 elektronai, susidaro deguonies atomas. Azoto atomas turi 7 elektronus, geležies atomas – apie 26. Tačiau visų atomų struktūra yra maždaug vienoda: mažas teigiamai įkrautas branduolys, esantis difuzinių elektronų debesyje. Branduolio ir elektronų dydžio skirtumas yra didžiulis.
Saulės skersmuo yra tik 100 kartų didesnis už Žemės skersmenį. Elektronų debesies skersmuo atome yra 100 000 kartų didesnis už branduolio skersmenį. Kad gautumėte tūrių skirtumą, šiuos skaičius turite sumažinti.
Dabar esame pasirengę suprasti, kas yra cheminė energija. Atomai, būdami elektriškai neutralūs, iš tikrųjų gali susijungti, išskirdami daugiau energijos. Kitaip tariant, jie gali prisijungti prie stabilesnių konfigūracijų. Jau atome esantys elektronai stengiasi pasiskirstyti taip, kad priartėtų kuo arčiau branduolio, tačiau dėl savo difuzinės prigimties jiems reikia tam tikros erdvės. Tačiau kai jie susijungia su elektronais iš kito atomo, jie paprastai sudaro artimesnę konfigūraciją, leidžiančią jiems priartėti prie branduolių. Pavyzdžiui, 2 vandenilio atomai gali susijungti į kompaktiškesnę konfigūraciją, jei kiekvienas vandenilio atomas atiduoda savo elektroną 2 elektronų debesiui, kuris dalijasi tarp dviejų protonų.
Taigi jie sudaro grupę, kurią sudaro du elektronai viename debesyje ir du protonai, atskirti vienas nuo kito erdvėje, bet vis dėlto esantys elektronų debesies viduje. Dėl to įvyksta cheminė reakcija, kuri vyksta išsiskiriant šilumai: H + H => H G (Ženklas „=>“ reiškia „paverčia“ arba „tampa“). H2 konfigūracija yra vandenilio molekulė; perkant vandenilio cilindrą negausite nieko daugiau, tik H molekules. Be to, susijungus du H 2 elektronai ir 8 elektronai O atomo gali susidaryti dar kompaktiškesnę konfigūraciją - vandens molekulę H O plius šiluma. Iš tikrųjų vandens molekulė yra vienas elektronų debesis, kurio viduje yra trijų taškų branduoliai. Tokia molekulė yra minimalios energijos konfigūracija.
Taigi, kai deginame naftą ar anglį, mes perskirstome elektronus. Dėl to elektronų debesyse susidaro stabilesnės taškinių branduolių konfigūracijos ir kartu išsiskiria šiluma. Tokia yra cheminės energijos prigimtis.
Ankstesnėje diskusijoje praleidome vieną tašką. Kodėl gamtoje esančiuose branduoliuose iš pradžių yra du ar daugiau protonų? Kiekvienas protonas turi teigiamą krūvį, o kai atstumas tarp teigiamų krūvių yra toks mažas, kad jį galima palyginti su branduolį supančia erdve, jie vienas kitą stipriai atstumia. Panašių krūvių atstūmimas yra panašus į atstūmimą, kuris atsiranda tarp dviejų magnetų šiaurinių polių, kai juos bandoma sujungti neteisingai. Turi būti kažkas, kas įveiktų šį atstūmimą, kitaip egzistuotų tik vandenilio atomai. Laimei, matome, kad taip nėra.
Protoną veikia kita jėgos rūšis. Tai yra branduolinė energija. Dėl to, kad jis yra labai didelis, dalelės tvirtai laikosi beveik viena ant kitos. Be to, yra ir antro tipo sunkiosios dalelės, kurios nuo protono skiriasi tik tuo, kad neturi nei teigiamo, nei neigiamo krūvio. Jų neatstumia teigiamas protono krūvis. Šios dalelės vadinamos „neutronais“, nes yra elektriškai neutralios. Ypatumas tas, kad nepakitusi dalelių būsena galima tik branduolio viduje. Kai dalelė yra už branduolio, maždaug per 10 minučių ji virsta protonu, elektronu ir labai lengvu antineutrinu. Tačiau šerdies viduje jis gali likti nepakitęs tiek, kiek norima. Kad ir kaip būtų, neutronas ir protonas labai stipriai traukia vienas kitą. Priartėję prie pakankamo atstumo, jie susijungia, sudarydami labai stiprią porą, vadinamąjį deuteroną, kuris žymimas D+. Vienas deuteronas susijungia su vienu elektronu ir sudaro sunkaus vandenilio arba deuterio atomą, pažymėtą D.
Antroji branduolinė reakcija įvyksta, kai sąveikauja du deuteronai. Kai du deuteronai yra priversti sąveikauti, jie susijungia ir sudaro dalelę, kuri turi dvigubą krūvį. Dviejų protonų ir dviejų neutronų grupė yra dar stabilesnė nei protonų-neutronų grupė deuterone. Naujoji dalelė, neutralizuota 2 elektronais, tampa helio atomo branduoliu, kuris žymimas He. Gamtoje taip pat yra didelių grupių, kurios yra anglies, azoto, deguonies, geležies ir kitų atomų branduoliai. Visų šių grupių egzistavimas yra įmanomas dėl branduolinės jėgos, atsirandančios tarp dalelių, kai jos sąveikauja viena su kita arba dalijasi bendra erdvės apimtimi, lygia branduolio dydžiu.
Dabar galime suprasti įprastos branduolinės energijos, kuri iš tikrųjų yra branduolio dalijimosi energija, prigimtį. Per ankstyvąją visatos istoriją susiformavo didžiulės žvaigždės. Kai tokios masyvios žvaigždės sprogo, susidarė daugybė branduolių tipų, kurie vėl sprogo į kosmosą. Iš šios masės susidarė planetos ir žvaigždės, įskaitant Saulę.
Gali būti, kad sprogimo metu atsirado visos įmanomos stabilios protonų ir neutronų konfigūracijos, taip pat tokios praktiškai stabilios grupės kaip urano branduolys. Iš tikrųjų yra trys urano atomų branduolių atmainos: uranas-234, uranas-235 ir uranas-238. Šie „izotopai“ skiriasi neutronų skaičiumi, tačiau visuose juose yra 92 protonai. Bet kokio tipo urano atomo branduoliai gali pasikeisti į žemesnės energijos konfigūraciją, ištrūkdami iš helio branduolių, tačiau šis procesas vyksta taip retai, kad antžeminis uranas savo savybes išlaiko apie 4 mlrd.
Tačiau yra ir kitas būdas sutrikdyti urano branduolio konfigūraciją. Apskritai protonų ir neutronų grupės yra stabiliausios, jei jose yra apie 60 protonų ir neutronų porų. Tokių porų, esančių urano branduolyje, skaičius yra tris kartus didesnis už šį skaičių. Dėl to jis linkęs skilti į dvi dalis, išskirdamas daug šilumos. Tačiau gamta neleidžia atsiskirti. Norint tai padaryti, pirmiausia reikia pereiti prie aukštesnės energijos konfigūracijos. Tačiau vienos rūšies uranas – uranas-235, žymimas 235 U – reikiamą energiją gauna gaudydamas neutroną. Taip gavęs reikiamą energiją, branduolys suyra, išskirdamas didžiulį kiekį energijos ir išskirdamas papildomų neutronų. Šie papildomi neutronai savo ruožtu gali suskaidyti urano-235 branduolius, sukeldami grandininę reakciją.
Būtent taip nutinka atominėse elektrinėse, kur branduolinio skilimo šiluma naudojama vandeniui užvirti, garams gaminti ir elektros generatoriui pasukti. (Šio metodo trūkumas yra radioaktyviųjų atliekų, kurios turi būti saugiai šalinamos, išmetimas.)
Dabar esame pasirengę suprasti karštosios branduolių sintezės esmę. Kaip aptarta 5 pamokoje, protonų ir neutronų grupės yra stabiliausios, kai protonų ir neutronų skaičius maždaug atitinka skaičių geležies atomo branduolyje. Kaip ir urane, kuriame paprastai yra per daug neutronų ir protonų porų, taip ir lengvuose elementuose, tokiuose kaip vandenilis, helis, anglis, azotas ir deguonis, tokių porų yra per mažai.
Jei bus sudarytos būtinos sąlygos šiems branduoliams sąveikauti, jie, išskirdami šilumą, susijungs į stabilesnes grupes. Taip vyksta sintezės procesas. Natūraliai jis randamas tokiose žvaigždėse kaip Saulė. Gamtoje suslėgtas vandenilis labai įkaista, o po kurio laiko įvyksta sintezės reakcija. Jei procesas iš pradžių vyktų su deuteronais, kuriuose jau yra dvigubai daugiau protonų ir neutronų, reakcijos žvaigždėse vyktų gana lengvai. Greitis, kuriuo bet kurio konkretaus tipo atomas juda panašių atomų debesyje, tiesiogiai priklauso nuo temperatūros. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis greitis, o atomai yra arčiau vienas kito, o tai sukelia momentinį susidūrimą.
Žvaigždėse temperatūra yra pakankamai aukšta, kad elektronai galėtų išeiti iš šerdies. Taigi galime sakyti, kad iš tikrųjų turime reikalą su mišriu elektronų ir branduolių debesiu. Esant labai aukštai temperatūrai, branduoliai susidūrimo momentu yra taip arti vienas kito, kad įsijungia branduolinė jėga, pritraukdama juos vienas prie kito. Dėl to branduoliai gali „sulipti“ ir virsti mažesnės energijos protonų ir neutronų grupe, išskirdami šilumą. Karštoji branduolių sintezė – tai bandymas atlikti šį procesą laboratorinėmis sąlygomis, naudojant deuterį ir trejinį vandenilį (kurio branduolyje yra 1 protonas ir 2 neutronai) kaip dujas. Karštai sintezei reikia palaikyti šimtų milijonų laipsnių dujų temperatūrą, kurią galima pasiekti naudojant magnetinį lauką, bet tik 1-2 sekundes. Tikimasi, kad bus galima ilgiau palaikyti dujų temperatūrą. Kol temperatūra pakankamai aukšta, branduolių susidūrimo metu vyksta branduolinė reakcija.
Pagrindinė energijos išsiskyrimo forma yra didelės energijos neutronų ir protonų išsiskyrimas. Protonai labai greitai virsta šiluma. Neutronų energiją taip pat galima paversti šiluma, tačiau po to įranga tampa radioaktyvi. Atrodo, kad įrangos nukenksminimas yra labai sudėtingas, todėl karštoji sintezė nėra tinkamas komercinės energijos gamybos būdas. Bet kokiu atveju karštosios sintezės energija yra svajonė, kuri gyvuoja mažiausiai 50 metų. Tačiau dauguma mokslininkų karštąją sintezę laiko vieninteliu būdu gaminti sintezės energiją. Karštos sintezės procesas gamina mažiau spinduliuotės nei dalijimasis, tai aplinkai nekenksmingas ir praktiškai neribotas kuro šaltinis Žemėje (palyginti su šiuolaikinėmis energijos sąnaudomis, to užtektų daugeliui milijonų metų).
Galiausiai prieiname prie šaltosios sintezės paaiškinimo. Šaltoji sintezė galėtų būti paprastas ir neradioaktyvus būdas išlaisvinti sintezės energiją. Šaltosios sintezės metu vieno branduolio protonai ir neutronai visiškai kitaip sąveikauja su kito branduolio protonais ir neutronais.
Tuo pačiu metu branduolinė jėga padeda jiems suformuoti stabilesnę konfigūraciją. Bet kuriai branduolinei reakcijai būtina, kad reaguojantys branduoliai turėtų bendrą erdvės tūrį. Šis reikalavimas vadinamas dalelių suderinimu. Karštoje sintezėje dalelių susijungimas vyksta trumpai, kai įveikiama dviejų teigiamų krūvių atstūmimo jėga, ir branduoliai susiduria. Šaltojo sintezės metu dalelių sintezės sąlyga pasiekiama priverčiant deuterio branduolius elgtis kaip neaiškios dalelės, kaip elektronai, o ne kaip mažos taškinės dalelės. Kai į sunkųjį metalą pridedamas lengvasis arba sunkusis vandenilis, kiekvienas vandenilio „atomas“ užima vietą, kurioje jį iš visų pusių supa sunkiųjų metalų atomai.
Ši vandenilio forma vadinama tarpine. Vandenilio atomų elektronai kartu su tarpiniu vandeniliu tampa metalo elektronų masės dalimi. Kiekvienas vandenilio branduolys svyruoja kaip švytuoklė, kai jis praeina per metalo neigiamai įkrautą elektronų debesį. Tokia vibracija atsiranda net esant labai žemai temperatūrai, pagal kvantinės mechanikos postulatus. Toks judėjimas vadinamas nulinio taško judėjimu. Šiuo atveju branduoliai tampa neryškiais objektais, kaip elektronai atome. Tačiau tokio neapibrėžtumo nepakanka, kad vienas vandenilio branduolys galėtų sąveikauti su kitu.
Dar viena sąlyga yra būtina, kad du ar daugiau vandenilio branduolių turėtų tą pačią bendrą erdvę. Elektros srovė, kurią perneša elektronai metale, veikia kaip vibruojančios materijos banga, o ne kaip taškinės dalelės. Jei elektronai nesielgtų kaip bangos kietose medžiagose, šiandien nebūtų nei tranzistorių, nei šiuolaikinių kompiuterių. Bangos pavidalo elektronas vadinamas Blocho funkcijos elektronu. Šaltojo sintezės paslaptis yra būtinybė gauti Bloch funkcijos deuteroną. Kad du ar daugiau deuteronų turėtų bendrą erdvės tūrį, banginiai deuteronai turi būti gaminami kietosios medžiagos viduje arba ant jo paviršiaus. Kai tik sukuriami Blocho funkcijos deuteronai, pradeda veikti branduolinė jėga, o protonai ir neutronai, sudarantys deuteroną, reorganizuojami į stabilesnę Blocho funkcijos helio konfigūraciją, kurią lydi šilumos išsiskyrimas.
Norėdami ištirti šaltąją sintezę, eksperimentatorius turi priversti deuteronus į bangos būseną ir išlaikyti juos tokioje būsenoje. Šaltojo sintezės eksperimentai, rodantys šilumos pertekliaus išsiskyrimą, įrodo, kad tai įmanoma. Tačiau niekas iki šiol nežino, kaip tokį procesą atlikti patikimiausiu būdu. Šaltosios sintezės naudojimas žada suteikti energijos išteklius, kurie tarnaus milijonus metų, be visuotinio atšilimo ar radioaktyvumo problemų – todėl reikėtų dėti rimtas pastangas tirti šį reiškinį.
Visi fiziniai gamtos kūnai yra sukurti iš tam tikros rūšies materijos, vadinamos materija. Medžiagos skirstomos į dvi pagrindines grupes – paprastas ir sudėtingas medžiagas.
Sudėtingos medžiagos yra tos medžiagos, kurios cheminių reakcijų metu gali būti suskaidomos į kitas, paprastesnes medžiagas. Priešingai nei sudėtingos medžiagos, paprastos medžiagos yra tos, kurių negalima chemiškai suskaidyti į dar paprastesnes medžiagas.
Sudėtingos medžiagos pavyzdys yra vanduo, kuris cheminės reakcijos metu gali būti suskaidytas į dvi kitas paprastesnes medžiagas – vandenilį ir deguonį. Kalbant apie dvi paskutines, jos nebegali chemiškai suskaidyti į paprastesnes medžiagas, todėl yra paprastos medžiagos arba, kitaip tariant, cheminiai elementai.
XIX amžiaus pirmoje pusėje moksle vyravo prielaida, kad cheminiai elementai yra nekintančios medžiagos, neturinčios bendro ryšio viena su kita. Tačiau rusų mokslininkas D.I.Mendelejevas (1834 - 1907) pirmą kartą 1869 metais atskleidė cheminių elementų ryšį, parodydamas, kad kiekvieno iš jų kokybinės charakteristikos priklauso nuo jo kiekybinių charakteristikų – atominės masės.
Tyrinėdamas cheminių elementų savybes, D.I.Mendelejevas pastebėjo, kad jų savybės periodiškai kartojasi priklausomai nuo atominės masės. Jis parodė šį periodiškumą lentelės pavidalu, kuri buvo įtraukta į mokslą pavadinimu „Mendelejevo periodinė elementų lentelė“.
Žemiau yra Mendelejevo šiuolaikinė periodinė cheminių elementų lentelė.
Atomai
Remiantis šiuolaikinėmis mokslo sampratomis, kiekvienas cheminis elementas susideda iš mažų medžiagų (medžiagų) dalelių, vadinamų atomais, rinkinio.
Atomas yra mažiausia cheminio elemento dalis, kuri nebegali chemiškai suskaidyti į kitas, smulkesnes ir paprastesnes medžiagos daleles.
Savo prigimtimi skirtingų cheminių elementų atomai skiriasi vienas nuo kito savo fizinėmis ir cheminėmis savybėmis, struktūra, dydžiu, mase, atominiu svoriu, vidine energija ir kai kuriomis kitomis savybėmis. Pavyzdžiui, vandenilio atomas savo savybėmis ir struktūra smarkiai skiriasi nuo deguonies atomo, o pastarasis – nuo urano atomo ir kt.
Nustatyta, kad cheminių elementų atomai yra itin mažo dydžio. Jei sutartinai darysime prielaidą, kad atomai turi sferinę formą, tada jų skersmuo turėtų būti lygus šimtai milijonųjų centimetrų dalių. Pavyzdžiui, vandenilio atomo – mažiausio gamtoje atomo – skersmuo yra lygus šimtai milijoninei centimetro daliai (10–8 cm), o didžiausių atomų, pavyzdžiui, urano atomo, skersmuo neviršija trys šimtai milijonų dalių centimetro (3 10 -8 cm). Vadinasi, vandenilio atomas yra tiek kartų mažesnis už vieno centimetro spindulio rutulį, kiek pastarasis yra mažesnis už rutulį.
Atsižvelgiant į labai mažą atomų dydį, jų masė taip pat yra labai maža. Pavyzdžiui, vandenilio atomo masė m = 1,67 10 -24 g Tai reiškia, kad viename grame vandenilio yra maždaug 6 10 23 atomai.
Įprastu cheminių elementų atominių svorių matavimo vienetu laikoma 1/16 deguonies atomo svorio. Pagal šį cheminio elemento atominį svorį vadinamas abstraktus skaičius, parodantis, kiek kartų didesnis už masę. tam tikro cheminio elemento masė yra didesnė nei 1/16 deguonies atomo masės.
D.I. Mendelejevo periodinėje elementų lentelėje rodomas visų cheminių elementų atominis svoris (žr. skaičių, esantį po elemento pavadinimu). Iš šios lentelės matome, kad lengviausias atomas yra vandenilio atomas, kurio atominė masė yra 1,008. Anglies atominė masė yra 12, deguonies - 16 ir kt.
Kalbant apie sunkesnius cheminius elementus, jų atominė masė daugiau nei du šimtus kartų viršija vandenilio atominę masę. Taigi gyvsidabrio atominė masė yra 200,6, radžio - 226 ir tt Kuo aukštesnę skaičių eiliškumą užima cheminis elementas periodinėje elementų lentelėje, tuo didesnis atominis svoris.
Dauguma cheminių elementų atominių svorių išreiškiami trupmeniniais skaičiais. Tam tikru mastu tai paaiškinama tuo, kad tokie cheminiai elementai susideda iš daugelio tipų atomų, turinčių skirtingą atomų masę, bet tas pačias chemines savybes, rinkinį.
Cheminiai elementai, kurie periodinėje elementų lentelėje užima tą patį skaičių, todėl turi tas pačias chemines savybes, bet skirtingą atominį svorį, vadinami izotopais.
Izotopų yra daugumoje cheminių elementų, jie turi du izotopus, kalcio - keturis, cinko - penkis, alavo - vienuolika ir tt Daug izotopų gaunama meno būdu, kai kurie iš jų turi didelę praktinę reikšmę.
Elementariosios medžiagos dalelės
Ilgą laiką buvo manoma, kad cheminių elementų atomai yra materijos dalijimosi riba, t.y. kaip elementarūs visatos „statybiniai blokai“. Šiuolaikinis mokslas atmetė šią hipotezę, nustatydamas, kad bet kurio cheminio ale atomas yra dar mažesnių medžiagų dalelių rinkinys nei pats atomas.
Pagal elektroninę materijos sandaros teoriją bet kurio cheminio elemento atomas yra sistema, susidedanti iš centrinio branduolio, aplink kurį sukasi „elementariosios“ medžiagos dalelės, vadinamos elektronais. Atomų branduoliai, remiantis visuotinai priimtomis nuomonėmis, susideda iš „elementariųjų“ medžiagų dalelių - protonų ir neutronų - rinkinio.
Norint suprasti atomų sandarą ir juose vykstančius fizikinius bei cheminius procesus, būtina bent trumpam susipažinti su pagrindinėmis elementariųjų dalelių, sudarančių atomus, savybėmis.
Nusprendė, kad elektronas yra materiali dalelė, turinti mažiausią gamtoje pastebėtą neigiamą elektros krūvį.
Jei sutartinai darysime prielaidą, kad elektronas kaip dalelė turi sferinę formą, tada elektrono skersmuo turėtų būti lygus 4 · 10–13 cm, t.y. jis yra dešimtis tūkstančių kartų mažesnis už bet kurio atomo skersmenį.
Elektronas, kaip ir bet kuri kita dalelė, turi masę. Elektrono „ramybės masė“, ty masė, kurią jis turi santykinės ramybės būsenoje, yra lygi m o = 9,1 10 -28 g.
Itin maža elektrono „ramybės masė“ rodo, kad elektrono inertinės savybės yra itin silpnos, o tai reiškia, kad elektronas, veikiamas kintamos elektrinės jėgos, gali svyruoti erdvėje daugelio milijardų ciklų per dažnį. antra.
Elektrono masė tokia maža, kad vienam gramui elektronų gauti reikėtų 1027 vienetus. Kad bent kiek fiziškai įsivaizduotume šį nepaprastai didelį skaičių, pateikime tokį pavyzdį. Jei vieną gramą elektronų būtų galima išdėstyti tiesia linija arti vienas kito, jie sudarytų keturių milijardų kilometrų ilgio grandinę.
Elektrono, kaip ir bet kurios kitos medžiagos mikrodalelės, masė priklauso nuo jo judėjimo greičio. Elektronas, būdamas santykinio ramybės būsenoje, turi „ramybės masę“, kuri yra mechaninio pobūdžio, kaip ir bet kurio fizinio kūno masė. Kalbant apie elektrono „judėjimo masę“, kuri didėja didėjant jo judėjimo greičiui, ji yra elektromagnetinės kilmės. Taip yra dėl to, kad judančiame elektrone yra elektromagnetinis laukas kaip tam tikros rūšies medžiaga, turinti masę ir elektromagnetinę energiją.
Kuo greičiau juda elektronas, tuo labiau pasireiškia jo elektromagnetinio lauko inercinės savybės, taigi, tuo didesnė pastarojo masė ir atitinkamai jo elektromagnetinė energija. Kadangi elektronas su savo elektromagnetiniu lauku sudaro vieną, organiškai sujungtą medžiagų sistemą, natūralu, kad elektrono elektromagnetinio lauko judėjimo masę galima tiesiogiai priskirti pačiam elektronui.
Elektronas, be dalelės savybių, turi ir banginių savybių. Patirtis parodė, kad elektronų srautas, kaip ir šviesos srautas, sklinda į bangą panašiu judesiu. Elektronų srauto banginio judėjimo erdvėje pobūdį patvirtina elektronų bangų interferencijos ir difrakcijos reiškiniai.
Elektronų trukdžiai- tai elektroninių testamentų uždėjimo vienas ant kito reiškinys ir elektronų difrakcija- tai reiškinys, kai elektronų bangos lenkiasi aplink siauro tarpo, per kurį praeina elektronų srautas, kraštus. Vadinasi, elektronas yra ne tik dalelė, o „dalelių banga“, kurios ilgis priklauso nuo elektrono masės ir greičio.
Nustatyta, kad elektronas, be savo transliacinio judėjimo, atlieka ir sukimosi judesį aplink savo ašį. Šis elektronų judėjimo tipas vadinamas „sukimu“ (iš angliško žodžio „spin“ – verpstė). Dėl tokio judėjimo elektronas, be elektrinių savybių dėl elektros krūvio, įgyja ir magnetinių savybių, šiuo atžvilgiu primenančių elementarų magnetą.
Protonas yra medžiagos dalelė, kurios teigiamas elektrinis krūvis absoliučia verte yra lygus elektrono elektriniam krūviui.
Protono masė yra 1,67 · 10-24 g, ty tai yra maždaug 1840 kartų didesnė už elektrono „ramybės masę“.
Skirtingai nuo elektrono ir protono, neutronas neturi elektros krūvio, t.y. jis yra elektriškai neutrali „elementarioji“ materijos dalelė. Neutrono masė beveik lygi protono masei.
Elektronai, protonai ir neutronai, būdami atomų dalimi, sąveikauja vienas su kitu. Visų pirma, elektronai ir protonai yra tarpusavyje traukiami kaip dalelės su priešingais elektros krūviais. Tuo pačiu metu elektronas iš elektrono ir protonas iš protono yra atstumiami kaip dalelės, turinčios vienodus elektros krūvius.
Visų šių elektriškai įkrautų dalelių sąveika vyksta per jų elektrinius laukus. Šie laukai reprezentuoja ypatingą medžiagos tipą, susidedantį iš elementariųjų medžiagų dalelių, vadinamų fotonais, rinkinio. Kiekvienas fotonas turi griežtai apibrėžtą jam būdingą energijos kiekį (energijos kvantą).
Elektra įkrautų medžiagų dalelių sąveika vykdoma keičiantis fotonais tarpusavyje. Sąveikos jėga tarp elektra įkrautų dalelių paprastai vadinama elektrinė jėga.
Neutronai ir protonai, esantys atomų branduoliuose, taip pat sąveikauja tarpusavyje. Tačiau ši sąveika nebevykdoma per elektrinį lauką, nes neutronas yra elektriškai neutrali medžiagos dalelė, o per vadinamąjį branduolinį lauką.
Šis laukas taip pat yra ypatinga materijos rūšis, susidedanti iš elementariųjų medžiagų dalelių, vadinamų mezonais, rinkinio. Neutronų ir protonų sąveika vykdoma keičiantis mezonais tarpusavyje. Jėga tarp neutronų ir protonų, sąveikaujančių vienas su kitu, vadinama branduoline jėga.
Nustatyta, kad atomų branduoliuose branduolinės jėgos veikia itin mažais atstumais – maždaug 10 – 13 cm.Branduolinės jėgos savo dydžiu žymiai viršija protonų tarpusavio atstūmimo elektrines jėgas atomo branduolyje. Tai lemia tai, kad jie sugeba ne tik įveikti abipusio protonų atstūmimo jėgas atomų branduoliuose, bet ir sukurti labai stiprias branduolių sistemas iš protonų ir neutronų derinio.
Kiekvieno atomo branduolio stabilumas priklauso nuo santykių tarp dviejų prieštaringų jėgų – branduolinės (abipusis protonų ir neutronų trauka) ir elektrinės (abipusis protonų atstūmimas).
Galingos branduolinės jėgos, veikiančios atomų branduoliuose, prisideda prie neutronų ir protonų virsmo vienas į kitą. Šios neutronų ir protonų konversijos vyksta dėl lengvesnių elementariųjų dalelių, tokių kaip mezonai, išsiskyrimo arba absorbcijos.
Dalelės, kurias mes svarstėme, vadinamos elementariosiomis, nes jos nėra sudarytos iš kitų, paprastesnių materijos dalelių. Tačiau tuo pat metu neturime pamiršti, kad jie gali transformuotis vienas į kitą, atsirasti vienas kito sąskaita. Taigi šios dalelės yra tam tikri sudėtingi dariniai, ty jų elementarumas yra sąlyginis.
Cheminė atomų sandara
Paprasčiausias atomas jo struktūroje yra vandenilio atomas. Jį sudaro tik dvi elementariosios dalelės – protonas ir elektronas. Protonas vandenilio atomų sistemoje atlieka centrinio branduolio, aplink kurį elektronas sukasi tam tikra orbita, vaidmenį. Fig. 1 paveiksle schematiškai parodytas vandenilio atomo modelis.
Ryžiai. 1. Vandenilio atomo sandaros schema
Šis modelis yra tik apytikslis tikrovės apytikslis vaizdas. Faktas yra tas, kad elektronas, kaip „dalelių banga“, neturi stipriai atskirto nuo išorinės aplinkos tūrio. Tai reiškia, kad turėtume kalbėti ne apie kokią nors tikslią tiesinę elektrono orbitą, o apie tam tikrą elektronų debesį. Šiuo atveju elektronas dažniausiai užima kokią nors vidurinę debesies liniją, kuri yra viena iš galimų jo orbitų atome.
Reikia pasakyti, kad paties elektrono orbita atome nėra griežtai nepakitusi ir nejudanti – jis taip pat dėl elektrono masės pokyčių patiria tam tikrą sukimosi judesį. Vadinasi, elektrono judėjimas atome yra gana sudėtingas. Kadangi vandenilio atomo (protono) branduolys ir aplink jį besisukantis elektronas turi priešingus elektros krūvius, jie yra tarpusavyje traukiami.
Tuo pačiu metu elektronas, besisukantis aplink atomo branduolį, sukuria išcentrinę jėgą, kuri linkusi jį pašalinti iš branduolio. Vadinasi, atomo branduolio ir elektrono tarpusavio traukos elektrinė jėga ir elektroną veikianti išcentrinė jėga yra prieštaringos jėgos.
Esant pusiausvyrai, jų elektronas tam tikroje atomo orbitoje užima gana stabilią padėtį. Kadangi elektrono masė yra labai maža, norint subalansuoti atomo branduolio traukos jėgą, jis turi suktis milžinišku greičiu, lygiu maždaug 6 10 15 apsisukimų per sekundę. Tai reiškia, kad elektronas vandenilio atomo sistemoje, kaip ir bet kuris kitas atomas, juda savo orbita linijiniu greičiu, viršijančiu tūkstantį kilometrų per sekundę.
Normaliomis sąlygomis elektronas sukasi savo rūšies atome orbitoje, esančioje arčiausiai branduolio. Tuo pačiu metu jis turi mažiausią galimą energijos kiekį. Jei dėl vienokių ar kitokių priežasčių, pavyzdžiui, veikiamas kokių nors kitų į atominę sistemą įsiveržusių medžiagų dalelių, elektronas pasislenka į orbitą, esančią toliau nuo atomo, tuomet jis jau turės kiek didesnį energijos kiekį.
Tačiau elektronas šioje naujoje orbitoje išlieka nežymiai trumpą laiką, o po to vėl sukasi į orbitą, esančią arčiausiai atomo branduolio. Šio judesio metu jis atiduoda savo energijos perteklių elektrinės magnetinės spinduliuotės kvanto – spinduliavimo energijos – pavidalu (2 pav.).
Ryžiai. 2. Elektronas, judėdamas iš tolimosios orbitos į esančią arčiau atomo branduolio, skleidžia spinduliavimo energijos kvantą
Kuo daugiau energijos elektronas gauna iš išorės, tuo orbita jis nutolsta nuo atomo branduolio ir tuo didesnį elektromagnetinės energijos kiekį jis skleidžia sukdamasis į arčiausiai branduolio esančią orbitą.
Išmatavus elektrono išskiriamos energijos kiekį judant iš įvairių orbitų į esančią arčiausiai atomo branduolio, buvo galima nustatyti, kad elektronas vandenilio atomo sistemoje, kaip ir bet kurio kito atomo sistemoje. , negali pereiti į jokią savavališką orbitą, o į griežtai apibrėžtą pagal energiją, kurią ji gauna veikiama išorinės jėgos. Orbitos, kurias elektronas gali užimti atome, vadinamos leistinomis orbitomis.
Kadangi teigiamas vandenilio atomo branduolio krūvis (protono krūvis) ir neigiamas elektrono krūvis yra skaitiniu požiūriu lygūs, jų bendras krūvis lygus nuliui. Tai reiškia, kad vandenilio atomas, būdamas normalioje būsenoje, yra elektriškai neutrali dalelė.
Tai pasakytina apie visų cheminių elementų atomus: bet kurio cheminio elemento atomas normalioje būsenoje yra elektriškai neutrali dalelė dėl savo teigiamų ir neigiamų krūvių skaitinės lygybės.
Kadangi vandenilio atomo branduolyje yra tik viena „elementarioji“ dalelė - protonas, vadinamasis šio branduolio masės skaičius yra lygus vienetui. Bet kurio cheminio elemento atomo branduolio masės skaičius yra bendras protonų ir neutronų, įtrauktų į šio branduolio sudėtį, skaičius.
Natūralus vandenilis daugiausia susideda iš atomų, kurių masės skaičius lygus vienetui, rinkinys. Tačiau jame taip pat yra kito tipo vandenilio atomų, kurių masės skaičius lygus dviem. Šio sunkaus vandenilio atomų branduoliai, vadinami deuteronais, susideda iš dviejų dalelių – protono ir neutrono. Šis vandenilio izotopas vadinamas deuteriu.
Natūralus vandenilis turi labai mažai deuterio. Kiekvienam šešiems tūkstančiams lengvojo vandenilio atomų (masės skaičius lygus vienetui) yra tik vienas deuterio (sunkiojo vandenilio) atomas. Yra dar vienas vandenilio izotopas – supersunkusis vandenilis, vadinamas tričiu. Šio vandenilio izotopo atomo branduoliuose yra trys dalelės: protonas ir du neutronai, sujungti vienas su kitu branduolinėmis jėgomis. Tričio atomo branduolio masės skaičius yra trys, t.y. tričio atomas yra tris kartus sunkesnis už lengvąjį vandenilio atomą.
Nors vandenilio izotopų atomai turi skirtingą masę, jie vis tiek turi tas pačias chemines savybes.Pavyzdžiui, lengvasis vandenilis, chemiškai sąveikaudamas su deguonimi, sudaro su juo sudėtingą medžiagą – vandenį. Panašiai vandenilio izotopas deuteris, jungiantis su deguonimi, sudaro vandenį, kuris, skirtingai nei įprastas vanduo, vadinamas sunkiuoju vandeniu. Sunkusis vanduo plačiai naudojamas branduolinės (branduolinės) energijos gamybos procese.
Vadinasi, atomų cheminės savybės priklauso ne nuo jų branduolių masės, o tik nuo atomo elektroninio apvalkalo sandaros. Kadangi lengvieji vandenilio, deuterio ir tričio atomai turi vienodą elektronų skaičių (po vieną kiekvienam atomui), šie izotopai turi tas pačias chemines savybes.
Neatsitiktinai cheminis elementas vandenilis užima pirmąjį skaičių periodinėje elementų lentelėje. Faktas yra tas, kad yra tam tikras ryšys tarp bet kurio elemento skaičiaus periodinėje elementų lentelėje ir šio elemento atomo branduolio krūvio vertės. Jis gali būti suformuluotas taip: Bet kurio cheminio elemento serijos numeris periodinėje elementų lentelėje yra lygus teigiamam šio elemento branduolio krūviui, taigi ir aplink jį besisukančių elektronų skaičiui.
Kadangi vandenilis periodinėje elementų lentelėje užima pirmąjį skaičių, tai reiškia, kad jo atomo branduolio teigiamas krūvis yra lygus vienetui ir vienas elektronas sukasi aplink branduolį.
Cheminis elementas helis periodinėje elementų lentelėje užima antrąją vietą. Tai reiškia, kad jo branduolio teigiamas elektrinis krūvis lygus dviem vienetams, ty jo branduolyje turi būti du protonai, o atomo elektroniniame apvalkale – du elektrodai.
Natūralus helis susideda iš dviejų izotopų – sunkiojo ir lengvojo helio. Sunkiojo helio masės skaičius yra keturi. Tai reiškia, kad sunkiojo helio atomo branduolyje, be minėtų dviejų protonų, turi būti dar du neutronai. Kalbant apie lengvąjį helią, jo masės skaičius yra trys, ty jo branduolyje, be dviejų protonų, turi būti dar vienas neutronas.
Nustatyta, kad natūraliame helio lengvojo helio atomų skaičius yra maždaug viena milijonoji sunkiųjų helio atomų. Fig. 3 paveiksle parodytas schematinis helio atomo modelis.
Ryžiai. 3. Helio atomo sandaros schema
Tolesnis cheminių elementų atomų struktūros sudėtingumas atsiranda dėl protonų ir neutronų skaičiaus padidėjimo šių atomų branduoliuose ir tuo pačiu dėl aplink branduolius besisukančių elektronų skaičiaus padidėjimo (4 pav. ). Naudojant periodinę elementų lentelę, lengva nustatyti elektronų, protonų ir neutronų, sudarančių įvairius atomus, skaičių.
Ryžiai. 4. Atomo branduolių sandaros schemos: 1 - helis, 2 - anglis, 3 - deguonis
Cheminio elemento atominis skaičius lygus protonų, esančių atomo branduolyje, skaičiui, o kartu ir aplink branduolį besisukančių elektronų skaičiui. Kalbant apie atominį svorį, jis yra maždaug lygus atomo masės skaičiui, ty protonų ir neutronų, sujungtų branduolyje, skaičiui. Todėl iš elemento atominės masės atėmus skaičių, lygų elemento atominiam skaičiui, galima nustatyti, kiek neutronų yra tam tikrame branduolyje.
Nustatyta, kad lengvųjų cheminių elementų branduoliai, kuriuose yra lygios protonų ir neutronų dalys, išsiskiria labai dideliu stiprumu, nes juose esančios branduolinės jėgos yra gana didelės. Pavyzdžiui, sunkiojo helio atomo branduolys yra itin stiprus, nes jis sudarytas iš dviejų protonų ir dviejų neutronų, sujungtų galingų branduolinių jėgų.
Sunkesnių cheminių elementų atomų branduoliuose yra nevienodas protonų ir neutronų skaičius, todėl jų ryšys branduolyje yra silpnesnis nei lengvųjų cheminių elementų branduoliuose. Šių elementų branduoliai gali būti gana lengvai suskaidomi, kai yra bombarduojami atominiais „sviediniais“ (neutronais, helio branduoliais ir kt.).
Kalbant apie sunkiausius cheminius elementus, ypač radioaktyvius, jų branduoliai yra tokie silpni, kad jie spontaniškai suyra į sudedamąsias dalis. Pavyzdžiui, radioaktyvaus elemento radžio atomai, susidedantys iš 88 protonų ir 138 neutronų derinio, spontaniškai suyra, virsdami radioaktyvaus elemento radono atomais. Pastarųjų atomai savo ruožtu suyra į sudedamąsias dalis, virsdami kitų elementų atomais.
Trumpai susipažinę su cheminių elementų atomų branduolių komponentais, panagrinėkime elektroninių atomų apvalkalų sandarą. Kaip žinoma, elektronai gali suktis aplink atomo branduolius tik griežtai apibrėžtomis orbitomis. Be to, jie taip sugrupuoti kiekvieno atomo elektronų apvalkale, kad galima atskirti atskirus elektronų sluoksnius.
Kiekviename sluoksnyje gali būti elektronų skaičius, kuris neviršija griežtai apibrėžto skaičiaus. Taigi, pavyzdžiui, pirmame elektronų sluoksnyje, esančiame arčiausiai atomo branduolio, gali būti daugiausiai du elektronai, antrajame - ne daugiau kaip aštuoni elektronai ir pan.
Tie atomai, kurių išoriniai elektronų sluoksniai yra visiškai užpildyti, turi stabiliausią elektronų apvalkalą. Tai reiškia, kad šis atomas tvirtai laiko visus savo elektronus ir jam nereikia gauti papildomo kiekio iš išorės. Pavyzdžiui, helio atomas turi du elektronus, kurie visiškai užpildo pirmąjį elektronų sluoksnį, o neono atomas turi dešimt elektronų, iš kurių pirmieji du visiškai užpildo pirmąjį elektronų sluoksnį, o likusieji – antrąjį (5 pav.).
Ryžiai. 5. Neono atomo sandaros schema
Vadinasi, helio ir neono atomai turi visiškai stabilius elektroninius apvalkalus ir nesistengia jų kažkaip kiekybiškai modifikuoti. Tokie elementai yra chemiškai inertiški, tai yra, jie chemiškai nesąveikauja su kitais elementais.
Tačiau dauguma cheminių elementų turi atomus, kurių išoriniai elektronų sluoksniai nėra visiškai užpildyti elektronais. Pavyzdžiui, kalio atomas turi devyniolika elektronų, iš kurių aštuoniolika visiškai užpildo pirmuosius tris sluoksnius, o devynioliktasis elektronas yra vienas kitame, neužpildytame elektronų sluoksnyje. Silpnas ketvirtojo elektronų sluoksnio užpildymas elektronais lemia tai, kad atomo branduolys labai silpnai laiko atokiausią, devynioliktąjį elektroną, todėl pastarasis gali būti lengvai išplėšiamas iš atomo. .
Arba, pavyzdžiui, deguonies atomas turi aštuonis elektronus, iš kurių du visiškai užpildo pirmąjį sluoksnį, o likę šeši yra antrame sluoksnyje. Taigi, norint visiškai užbaigti antrojo elektronų sluoksnio deguonies atome konstravimą, jam tereikia dviejų elektronų. Todėl deguonies atomas ne tik tvirtai laiko savo šešis elektronus antrajame sluoksnyje, bet ir turi galimybę pritraukti du elektronus, kurių jam trūksta, kad užpildytų antrąjį elektronų sluoksnį. Jis tai pasiekia chemiškai jungdamasis su elementų atomais, kurių išoriniai elektronai yra silpnai surišti su jų branduoliais.
Cheminiai elementai, kurių atomai neturi išorinių elektronų sluoksnių, visiškai užpildytų elektronais, paprastai yra chemiškai aktyvūs, tai yra, jie lengvai sąveikauja.
Taigi, elektronai cheminių elementų atomuose yra išsidėstę griežtai nustatyta tvarka, o bet koks jų erdvinio išsidėstymo ar kiekio pasikeitimas atomo elektronų apvalkale lemia pastarojo fizikinių ir cheminių savybių pasikeitimą.
Elektronų ir protonų skaičiaus lygybė atominėje sistemoje yra priežastis, dėl kurios jos bendras elektros krūvis yra lygus nuliui. Jei pažeidžiama elektronų ir protonų skaičiaus lygybė atominėje sistemoje, atomas tampa elektriškai įkrauta sistema.
Atomas, kurio sistemoje sutrinka priešingų elektros krūvių pusiausvyra dėl to, kad jis prarado dalį savo elektronų arba, atvirkščiai, įgijo jų perteklinį kiekį, vadinamas jonu.
Priešingai, jei atomas įgyja papildomų elektronų, jis tampa neigiamu jonu. Pavyzdžiui, chloro atomas, gavęs vieną papildomą elektroną, virsta vieno krūvio neigiamu chloro jonu Cl -. Deguonies atomas, gavęs papildomus du elektronus, virsta dvigubai įkrautu neigiamu deguonies jonu O ir pan.
Atomas, pavirtęs į joną, išorinės aplinkos atžvilgiu tampa elektriškai įkrauta sistema. Tai reiškia, kad atomas pradėjo turėti elektrinį lauką, su kuriuo jis sudaro vientisą materialią sistemą ir per šį lauką atlieka elektrinę sąveiką su kitomis elektrą įkrautomis medžiagos dalelėmis - jonais, elektronais, teigiamai įkrautais atomų branduoliais ir kt.
Skirtingai nuo jonų gebėjimo traukti vienas kitą yra priežastis, dėl kurios jie chemiškai susijungia, sudarydami sudėtingesnes medžiagos daleles - molekules.
Apibendrinant reikėtų pažymėti, kad atomo matmenys yra labai dideli, palyginti su medžiagos dalelių, iš kurių jie susideda, matmenimis. Sudėtingiausio atomo branduolys kartu su visais elektronais užima milijardąją atomo tūrio dalį. Paprastas skaičiavimas rodo, kad jei vieną kubinį metrą platinos būtų galima suspausti taip stipriai, kad išnyktų intraatominės ir tarpatominės erdvės, tūris būtų lygus maždaug vienam kubiniam milimetrui.
Tyrinėdami materijos struktūrą, fizikai išsiaiškino, iš ko susideda atomai, pateko į atomo branduolį ir suskaidė jį į protonus ir neutronus. Visi šie žingsniai buvo atlikti gana lengvai – tereikia paspartinti daleles iki reikiamos energijos, stumti jas viena prieš kitą, o tada jos pačios subyrėjo į sudedamąsias dalis.
Tačiau su protonais ir neutronais šis triukas nebeveikė. Nors tai sudėtinės dalelės, jos negali „suskaldyti“ į gabalus net ir žiauriausio susidūrimo metu. Todėl fizikai prireikė dešimtmečių, kol sugalvojo įvairius būdus, kaip pažvelgti į protono vidų, pamatyti jo struktūrą ir formą. Šiandien protonų struktūros tyrimas yra viena iš aktyviausių dalelių fizikos sričių.
Gamta duoda užuominų
Protonų ir neutronų struktūros tyrimo istorija siekia 1930-uosius. Kai, be protonų, buvo atrasti neutronai (1932 m.), išmatavę jų masę, fizikai nustebo pamatę, kad ji labai artima protono masei. Be to, paaiškėjo, kad protonai ir neutronai „jaučia“ branduolinę sąveiką lygiai taip pat. Toks identiškas, kad branduolinių jėgų požiūriu protonas ir neutronas gali būti laikomi dviem tos pačios dalelės – nukleono – apraiškomis: protonas yra elektriškai įkrautas nukleonas, o neutronas – neutralus nukleonas. Pakeiskite protonus į neutronus ir branduolinės jėgos (beveik) nieko nepastebės.
Fizikai šią gamtos savybę išreiškia kaip simetriją – branduolinė sąveika yra simetriška protonų pakeitimo neutronais atžvilgiu, kaip ir drugelis yra simetriškas kairiojo pakeitimo dešiniuoju atžvilgiu. Ši simetrija, be svarbaus vaidmens branduolinėje fizikoje, iš tikrųjų buvo pirmoji užuomina, kad nukleonai turi įdomią vidinę struktūrą. Tiesa, tada, 30-aisiais, fizikai šios užuominos nesuvokė.
Supratimas atsirado vėliau. Tai prasidėjo nuo to, kad 1940–50-aisiais protonų susidūrimo su įvairių elementų branduoliais reakcijose mokslininkai nustebo atradę vis daugiau naujų dalelių. Ne protonai, ne neutronai, ne iki tol atrasti pi-mezonai, laikantys branduoliuose nukleonus, o kažkokios visiškai naujos dalelės. Nepaisant jų įvairovės, šios naujos dalelės turėjo dvi bendras savybes. Pirma, jie, kaip ir nukleonai, labai noriai dalyvavo branduolinėje sąveikoje – dabar tokios dalelės vadinamos hadronais. Antra, jie buvo labai nestabilūs. Nestabiliausias iš jų suskyla į kitas daleles vos per trilijoną nanosekundės, net nespėjęs skristi atomo branduolio dydžio!
Ilgą laiką hadronų „zoologijos sodas“ buvo visiška netvarka. Penktojo dešimtmečio pabaigoje fizikai jau buvo išmokę gana daug įvairių hadronų tipų, pradėjo juos lyginti tarpusavyje ir staiga jų savybėse įžvelgė tam tikrą bendrą simetriją, netgi periodiškumą. Buvo pasiūlyta, kad visų hadronų (įskaitant nukleonus) viduje yra keletas paprastų objektų, vadinamų „kvarkais“. Skirtingais būdais sujungus kvarkus, galima gauti skirtingus hadronus, ir visiškai to paties tipo bei tų pačių savybių, kurios buvo atrastos eksperimento metu.
Kas daro protoną protonu?
Po to, kai fizikai atrado hadronų kvarkų struktūrą ir sužinojo, kad kvarkai būna kelių skirtingų atmainų, tapo aišku, kad iš kvarkų galima sukurti daug skirtingų dalelių. Taigi niekas nenustebo, kai vėlesni eksperimentai ir toliau vienas po kito randa naujų hadronų. Tačiau tarp visų hadronų buvo aptikta visa dalelių šeima, kurią, kaip ir protoną, sudaro tik du u-kvarkai ir vienas d- kvarkas. Savotiškas protono „brolis“. Ir čia fizikų laukė staigmena.
Pirmiausia padarykime vieną paprastą pastebėjimą. Jei turime kelis objektus, sudarytus iš tų pačių „plytų“, tai sunkesniuose objektuose yra daugiau „plytų“, o lengvesniuose – mažiau. Tai labai natūralus principas, kurį galima pavadinti kombinacijos arba antstato principu, puikiai veikiantis tiek kasdieniame gyvenime, tiek fizikoje. Tai netgi pasireiškia atomų branduolių sandara – juk sunkesni branduoliai tiesiog susideda iš didesnio protonų ir neutronų skaičiaus.
Tačiau kvarkų lygmenyje šis principas visiškai neveikia, ir, tiesa, fizikai dar iki galo neišsiaiškino, kodėl. Pasirodo, sunkieji protono broliai taip pat susideda iš tų pačių kvarkų kaip ir protonas, nors jie yra pusantro ar net du kartus sunkesni už protoną. Jie skiriasi nuo protono (ir skiriasi vienas nuo kito) ne kompozicija, ir abipusis vieta kvarkai, pagal būseną, kurioje šie kvarkai yra vienas kito atžvilgiu. Pakanka pakeisti santykinę kvarkų padėtį – ir iš protono gausime kitą, pastebimai sunkesnę, dalelę.
Kas atsitiks, jei vis tiek imsite ir surinksite daugiau nei tris kvarkus? Ar atsiras nauja sunkioji dalelė? Keista, bet tai neveiks - kvarkai suskaidys trise ir pavirs į keletą išsibarsčiusių dalelių. Kažkodėl gamta „nemėgsta“ sujungti daugybę kvarkų į vieną visumą! Tik visai neseniai, pažodžiui, pastaraisiais metais, pradėjo atsirasti užuominų, kad kai kurios kelių kvarkų dalelės tikrai egzistuoja, tačiau tai tik pabrėžia, kaip gamta jų nemėgsta.
Iš šios kombinatorikos išplaukia labai svarbi ir gili išvada – hadronų masė visai nesusideda iš kvarkų masės. Bet jei hadrono masę galima padidinti arba sumažinti tiesiog perkombinuojant jį sudarančias plytas, tai ne patys kvarkai yra atsakingi už hadronų masę. Ir iš tiesų, vėlesniais eksperimentais pavyko išsiaiškinti, kad pačių kvarkų masė sudaro tik apie du procentus protono masės, o likusi gravitacijos dalis atsiranda dėl jėgos lauko (ypatingų dalelių – gliuonų). surišti kvarkus. Keisdami santykinę kvarkų padėtį, pavyzdžiui, atitraukdami juos toliau vienas nuo kito, taip keičiame gliuono debesį, todėl jis tampa masyvesnis, todėl hadronų masė didėja (1 pav.).
Kas vyksta greitai judančio protono viduje?
Viskas, kas aprašyta aukščiau, yra susijusi su stacionariu protonu; fizikų kalba, tai yra protono struktūra ramybės rėme. Tačiau eksperimento metu protono struktūra pirmą kartą buvo atrasta kitomis sąlygomis – viduje greitai skrenda protonas.
Šeštojo dešimtmečio pabaigoje atliekant dalelių susidūrimų greitintuvuose eksperimentus, buvo pastebėta, kad beveik šviesos greičiu skriejantys protonai elgiasi taip, tarsi energija jų viduje būtų pasiskirstyta ne tolygiai, o būtų sutelkta atskiruose kompaktiškuose objektuose. Garsus fizikas Richardas Feynmanas pasiūlė šiuos medžiagos gumulėlius pavadinti protonais partonai(iš anglų kalbos dalis - dalis).
Vėlesni eksperimentai ištyrė daugelį partonų savybių, pavyzdžiui, jų elektros krūvį, skaičių ir kiekvieno iš jų turimą protonų energijos dalį. Pasirodo, įkrauti partonai yra kvarkai, o neutralūs – gliuonai. Taip, tie patys gliuonai, kurie protonų ramybės rėme tiesiog „tarnavo“ kvarkams, pritraukdami juos vienas prie kito, dabar yra nepriklausomi partonai ir kartu su kvarkais neša greitai judančio protono „materiją“ ir energiją. Eksperimentai parodė, kad maždaug pusė energijos sukaupta kvarkuose, o pusė – gliuonuose.
Partonus patogiausia tirti protonų susidūrimo su elektronais metu. Faktas yra tas, kad, skirtingai nei protonas, elektronas nedalyvauja stiprioje branduolinėje sąveikoje ir jo susidūrimas su protonu atrodo labai paprastas: elektronas labai trumpą laiką išspinduliuoja virtualų fotoną, kuris atsitrenkia į įkrautą partoną ir galiausiai sukuria daug dalelių (2 pav.). Galima sakyti, kad elektronas yra puikus skalpelis protonui „atidaryti“ ir padalinti į atskiras dalis – tačiau tik labai trumpam. Žinant, kaip dažnai tokie procesai vyksta greitintuve, galima išmatuoti protono viduje esančių partonų skaičių ir jų krūvius.
Kas iš tikrųjų yra Partonai?
Ir čia pasiekiame dar vieną nuostabų atradimą, kurį fizikai padarė tyrinėdami elementariųjų dalelių susidūrimus esant didelėms energijoms.
Įprastomis sąlygomis klausimas, iš ko susideda tas ar kitas objektas, turi universalų atsakymą visoms atskaitos sistemoms. Pavyzdžiui, vandens molekulė susideda iš dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo – ir nesvarbu, ar žiūrime į nejudančią, ar į judančią molekulę. Tačiau ši taisyklė atrodo tokia natūrali! - pažeidžiamas, jei kalbame apie elementarias daleles, judančias artimu šviesos greičiui. Vienoje atskaitos sistemoje sudėtinga dalelė gali būti sudaryta iš vieno dalelių rinkinio, o kitoje atskaitos sistemoje – iš kitos. Paaiškėjo, kad kompozicija yra santykinė sąvoka!
Kaip tai gali būti? Svarbiausia čia yra viena svarbi savybė: dalelių skaičius mūsų pasaulyje nėra fiksuotas – dalelės gali gimti ir išnykti. Pavyzdžiui, jei sustumsite du pakankamai didelės energijos elektronus, tada be šių dviejų elektronų gali gimti arba fotonas, arba elektronų-pozitronų pora, arba dar kokios nors dalelės. Visa tai leidžia kvantiniai dėsniai, ir kaip tik tai vyksta tikruose eksperimentuose.
Tačiau šis dalelių „neišsaugojimo įstatymas“ veikia susidūrimų atveju dalelės. Kaip atsitinka, kad tas pats protonas iš skirtingų požiūrių atrodo lyg sudarytas iš skirtingo dalelių rinkinio? Esmė ta, kad protonas nėra tik trys kvarkai, sudėti kartu. Tarp kvarkų yra gliuono jėgos laukas. Apskritai jėgos laukas (pvz., Gravitacinis arba elektrinis laukas) yra tam tikras materialus „esinys“, kuris prasiskverbia į erdvę ir leidžia dalelėms daryti stiprų poveikį viena kitai. Kvantinėje teorijoje laukas taip pat susideda iš dalelių, nors ir ypatingų – virtualių. Šių dalelių skaičius nėra fiksuotas, jos nuolat „išsišoka“ iš kvarkų ir jas sugeria kiti kvarkai.
Poilsis Protoną iš tikrųjų galima įsivaizduoti kaip tris kvarkus, tarp kurių šokinėja gliuonai. Bet jei pažvelgsime į tą patį protoną iš kitokio atskaitos sistemos, tarsi pro pro šalį važiuojančio „reliatyvistinio traukinio“ langą, pamatysime visiškai kitokį vaizdą. Tie virtualūs gliuonai, kurie sulipdė kvarkus, atrodys ne tokie virtualūs, „tikresnės“ dalelės. Jie, žinoma, vis dar gimsta ir įsisavinami kvarkų, tačiau tuo pat metu jie kurį laiką gyvena patys, skraidydami šalia kvarkų, kaip tikros dalelės. Tai, kas atrodo kaip paprastas jėgos laukas vienoje atskaitos sistemoje, kitame kadre virsta dalelių srautu! Atkreipkite dėmesį, kad mes neliečiame paties protono, o tik žiūrime į jį iš kitos atskaitos sistemos.
Toliau daugiau. Kuo mūsų „reliatyvistinio traukinio“ greitis artimesnis šviesos greičiui, tuo nuostabesnį vaizdą pamatysime protono viduje. Artėjant šviesos greičiui pastebėsime, kad protono viduje vis daugiau gliuonų. Be to, kartais jie suskyla į kvarkų ir antikvarkų poras, kurios taip pat skraido netoliese ir taip pat laikomos partonais. Dėl to ultrareliatyvistinis protonas, t. y. protonas, judantis mūsų atžvilgiu labai artimu šviesos greičiui, atsiranda kaip tarpusavyje besiskverbiantys kvarkų, antikvarkų ir gliuonų debesys, kurie skrenda kartu ir tarsi palaiko vienas kitą (1 pav.). . 3).
Skaitytojas, susipažinęs su reliatyvumo teorija, gali būti susirūpinęs. Visa fizika remiasi principu, kad bet koks procesas vyksta vienodai visose inercinėse atskaitos sistemose. Bet pasirodo, kad protono sudėtis priklauso nuo atskaitos sistemos, iš kurios mes jį stebime?!
Taip, tiksliai, bet tai jokiu būdu nepažeidžia reliatyvumo principo. Fizinių procesų rezultatai – pavyzdžiui, kurios dalelės ir kiek jų susidaro dėl susidūrimo – išties yra nekintami, nors protono sudėtis priklauso nuo atskaitos sistemos.
Ši iš pirmo žvilgsnio neįprasta, bet visus fizikos dėsnius atitinkanti situacija schematiškai pavaizduota 4 paveiksle. Jame parodyta, kaip dviejų didelę energiją turinčių protonų susidūrimas atrodo skirtingose atskaitos sistemose: likusiame vieno protono kadre, masės centro rėmas, likusiame kito protono rėme. Sąveika tarp protonų vykdoma per skaidančių gliuonų kaskadą, tačiau tik vienu atveju ši kaskada laikoma vieno protono „vidumi“, kitu atveju – kito protono dalimi, o trečiu – tiesiog kažkokia. objektas, kuris keičiasi tarp dviejų protonų. Ši kaskada egzistuoja, ji yra reali, bet kuriai proceso daliai ji turėtų būti priskirta, priklauso nuo atskaitos sistemos.
3D protono portretas
Visi rezultatai, apie kuriuos ką tik kalbėjome, buvo pagrįsti eksperimentais, atliktais gana seniai - praėjusio amžiaus 60–70-aisiais. Atrodytų, nuo tada viskas turėjo būti išstudijuota ir visi klausimai turėjo rasti atsakymus. Bet ne – protono sandara vis dar išlieka viena įdomiausių dalelių fizikos temų. Be to, pastaraisiais metais susidomėjimas juo vėl išaugo, nes fizikai sugalvojo, kaip gauti „trimatį“ greitai judančio protono portretą, kuris pasirodė esąs daug sudėtingesnis nei nejudančio protono portretas.
Klasikiniai protonų susidūrimų eksperimentai pasakoja tik apie partonų skaičių ir jų energijos pasiskirstymą. Tokiuose eksperimentuose partonai dalyvauja kaip nepriklausomi objektai, o tai reiškia, kad iš jų neįmanoma sužinoti, kaip partonai išsidėstę vienas kito atžvilgiu arba kaip tiksliai jie sudaro protoną. Galima sakyti, kad ilgą laiką fizikai turėjo tik „vienmatį“ greitai judančio protono portretą.
Norint sukonstruoti tikrą, trimatį protono portretą ir išsiaiškinti partonų pasiskirstymą erdvėje, reikia daug subtilesnių eksperimentų nei tie, kurie buvo įmanomi prieš 40 metų. Fizikai tokius eksperimentus išmoko atlikti visai neseniai, tiesiog per pastarąjį dešimtmetį. Jie suprato, kad tarp daugybės skirtingų reakcijų, atsirandančių elektronui susidūrus su protonu, yra viena ypatinga reakcija - gilus virtualus Komptono sklaida, - kurie gali mums pasakyti apie trimatę protono struktūrą.
Apskritai, Compton sklaida arba Compton efektas yra elastingas fotono susidūrimas su dalele, pavyzdžiui, protonu. Atrodo taip: atkeliauja fotonas, jį sugeria protonas, kuris trumpam pereina į sužadinimo būseną, o po to grįžta į pradinę būseną, išspinduliuodamas fotoną tam tikra kryptimi.
Įprastų šviesos fotonų komptono sklaida nieko įdomaus neduoda – tai tiesiog šviesos atspindys nuo protono. Norint, kad vidinė protono struktūra „įsigalėtų“ ir kvarkų pasiskirstymas būtų „juntamas“, reikia naudoti labai didelės energijos fotonus – milijardus kartų daugiau nei įprastoje šviesoje. Ir kaip tik tokius fotonus – nors ir virtualius – nesunkiai sukuria krintantis elektronas. Jei dabar derinsime vieną su kitu, gautume gilų virtualų Komptono sklaidą (5 pav.).
Pagrindinis šios reakcijos bruožas yra tas, kad ji nesunaikina protono. Įvykęs fotonas ne tik atsitrenkia į protoną, bet tarsi atsargiai jį jaučia ir tada nuskrenda. Kryptis, kuria jis nuskrenda ir kokią energijos dalį protonas paima iš jo, priklauso nuo protono sandaros, nuo santykinio partonų išsidėstymo jo viduje. Štai kodėl, tiriant šį procesą, galima atkurti trimatę protono išvaizdą, tarsi „skulptūros pavidalu“.
Tiesa, eksperimentuojančiam fizikai tai padaryti labai sunku. Reikalingas procesas vyksta gana retai, o jį užregistruoti sunku. Pirmieji eksperimentiniai duomenys apie šią reakciją gauti tik 2001 metais Vokietijos greitintuvų komplekso DESY Hamburge HERA greitintuve; eksperimentuotojai dabar apdoroja naują duomenų seriją. Tačiau jau šiandien, remdamiesi pirmaisiais duomenimis, teoretikai braižo trimačius kvarkų ir gliuonų skirstinius protone. Iš eksperimento galiausiai pradėjo „išryškėti“ fizikinis dydis, apie kurį fizikai anksčiau darė tik prielaidas.
Ar šioje srityje mūsų laukia netikėti atradimai? Tikėtina, kad taip. Iliustracijai tarkime, kad 2008 metų lapkritį pasirodė įdomus teorinis straipsnis, kuriame teigiama, kad greitai judantis protonas turi atrodyti ne kaip plokščias diskas, o kaip abipus įgaubtas lęšis. Taip atsitinka todėl, kad centrinėje protono srityje esantys partonai išilgine kryptimi suspaudžiami stipriau nei pakraščiuose sėdintys partonai. Būtų labai įdomu šias teorines prognozes išbandyti eksperimentiškai!
Kodėl visa tai įdomu fizikams?
Kodėl fizikai net turi tiksliai žinoti, kaip medžiaga pasiskirsto protonuose ir neutronuose?
Pirma, to reikalauja pati fizikos raidos logika. Pasaulyje yra daug nuostabiai sudėtingų sistemų, su kuriomis šiuolaikinė teorinė fizika dar negali visiškai susidoroti. Hadronai yra viena iš tokių sistemų. Suprasdami hadronų struktūrą, mes tobuliname teorinės fizikos gebėjimus, kurie gali pasirodyti universalūs ir, galbūt, padės visiškai kitaip, pavyzdžiui, tiriant superlaidininkus ar kitas neįprastas savybes turinčias medžiagas.
Antra, tai tiesioginė nauda branduolinei fizikai. Nepaisant beveik šimtmetį trukusios atomų branduolių tyrimo istorijos, teoretikai vis dar nežino tikslaus protonų ir neutronų sąveikos dėsnio.
Jie turi iš dalies atspėti šį dėsnį remdamiesi eksperimentiniais duomenimis, o iš dalies sukurti remdamiesi žiniomis apie nukleonų struktūrą. Čia padės nauji duomenys apie trimatę nukleonų struktūrą.
Trečia, prieš keletą metų fizikai sugebėjo gauti ne mažiau nei naują agreguotą medžiagos būseną – kvarko-gliuono plazmą. Šioje būsenoje kvarkai nesėdi atskirų protonų ir neutronų viduje, bet laisvai vaikšto per visą branduolinės medžiagos sankaupą. Tai galima pasiekti, pavyzdžiui, taip: sunkieji branduoliai greitintuve pagreitinami iki greičio, labai artimo šviesos greičiui, ir tada susiduria kaktomuša. Šio susidūrimo metu labai trumpą laiką pakyla trilijonų laipsnių temperatūra, dėl kurios branduoliai ištirpsta į kvarko-gliuono plazmą. Taigi, pasirodo, kad šio branduolinio lydymosi teoriniams skaičiavimams reikia gerai išmanyti trimatę nukleonų struktūrą.
Galiausiai šie duomenys labai reikalingi astrofizikai. Kai sunkiosios žvaigždės sprogsta savo gyvenimo pabaigoje, jos dažnai palieka itin kompaktiškus objektus – neutronines ir galbūt kvarkų žvaigždes. Šių žvaigždžių šerdį sudaro tik neutronai, o gal net šalta kvarko-gliuono plazma. Tokios žvaigždės jau seniai atrastos, tačiau galima tik spėlioti, kas vyksta jų viduje. Taigi geras kvarkų pasiskirstymo supratimas gali paskatinti astrofizikos pažangą.
