Z dvoch protónov a dvoch neutrónov. Protóny a neutróny: pandemónium vo vnútri hmoty. Prečo je to všetko pre fyzikov zaujímavé

Najprv musíte pochopiť, že existujú štyri samostatné typy uvoľnenej energie:

1) chemická energia, ktorá poháňa naše autá, ako aj väčšinu zariadení modernej civilizácie;

2) energia jadrového štiepenia, ktorá sa používa na výrobu približne 15 % elektriny, ktorú spotrebujeme;

3) energia horúcej jadrovej fúzie, ktorá poháňa slnko a väčšinu hviezd;

4) energia studenej jadrovej fúzie, ktorú pozorujú niektorí experimentátori v laboratórnych štúdiách a ktorej existenciu väčšina vedcov odmieta.

Množstvo uvoľnenej jadrovej energie (teplo/libra paliva) všetkých troch typov je 10 miliónov krát väčšie ako množstvo chemickej energie. Ako sa tieto druhy energie líšia? Na pochopenie tejto problematiky sú potrebné určité znalosti z oblasti chémie a fyziky.

Pomocou ponúk tohto internetového obchodu s tovarom pre domácnosť si môžete jednoducho nakúpiť akýkoľvek tovar za prijateľné ceny.

Príroda nám dala dva druhy stabilne nabitých častíc: protóny a elektróny. Protón je ťažká, zvyčajne veľmi malá, kladne nabitá častica. Elektrón je zvyčajne ľahký, veľký, s neostrými hranicami a má záporný náboj. Kladné a záporné náboje sa navzájom priťahujú, rovnako ako severný pól magnetu priťahuje južný pól. Ak sa magnet privedie svojim severným pólom k južnému pólu iného magnetu, zrazí sa. Zrážka uvoľní malé množstvo energie vo forme tepla, ale je príliš malé na to, aby sa dalo ľahko zmerať. Na oddelenie magnetov musíte vykonať prácu, to znamená vynaložiť energiu. To je asi to isté, ako zdvihnúť kameň späť do kopca.

Keď sa kameň kotúľa z kopca, uvoľňuje sa malé množstvo tepla, ale proces zdvíhania kameňa späť nahor vyžaduje energiu.

Rovnakým spôsobom sa pozitívny náboj protónu zrazí s negatívnym nábojom elektrónu, "zlepia sa spolu", čím sa uvoľní energia. Výsledkom je atóm vodíka, označovaný ako H. Atóm vodíka nie je nič iné ako rozmazaný elektrón obalujúci malý protón. Ak vyradíte elektrón z atómu vodíka, získate kladne nabitý ión H +, čo nie je nič iné ako pôvodný protón. "Ión" je názov aplikovaný na atóm alebo molekulu, ktorá stratila alebo získala jeden alebo viac elektrónov, a preto už nie je neutrálna.

Ako viete, v prírode existuje viac ako jeden druh atómov. Máme atómy kyslíka, atómy dusíka, atómy železa, atómy hélia a iné. V čom sú všetky iné? Všetky majú rôzne typy jadier a všetky jadrá obsahujú iný počet protónov, čo znamená, že majú odlišný kladný náboj. Jadro hélia obsahuje 2 protóny, čo znamená, že má náboj plus 2 a na neutralizáciu náboja sú potrebné 2 elektróny. Keď sú na ňu „prilepené“ 2 elektróny, vytvorí sa atóm hélia. Kyslíkové jadro obsahuje 8 protónov a má náboj 8. Keď sa naň „nalepí“ 8 elektrónov, vznikne atóm kyslíka. Atóm dusíka má 7 elektrónov, atóm železa asi 26. Štruktúra všetkých atómov je však približne rovnaká: malé, kladne nabité jadro, umiestnené v oblaku difúznych elektrónov. Rozdiel vo veľkosti medzi jadrom a elektrónmi je obrovský.

Priemer Slnka je len 100-krát väčší ako priemer Zeme. Priemer elektrónového oblaku v atóme je 100 000-krát väčší ako priemer jadra. Aby sme získali rozdiel v objemoch, je potrebné tieto čísla zvýšiť na kocku.

Teraz sme pripravení pochopiť, čo je chemická energia. Atómy, ktoré sú elektricky neutrálne, sa môžu navzájom spájať a uvoľňujú viac energie. Inými slovami, dajú sa kombinovať do stabilnejších konfigurácií. Už v atóme sa elektróny snažia rozmiestniť tak, aby sa dostali čo najbližšie k jadru, ale vzhľadom na svoju neostrú povahu si vyžadujú určitý priestor. Keď sa však spoja s elektrónmi iného atómu, zvyčajne vytvoria užšiu konfiguráciu, ktorá im umožňuje priblížiť sa k jadrám. Napríklad 2 atómy vodíka sa môžu spojiť do kompaktnejšej konfigurácie, ak každý atóm vodíka daruje svoj elektrón oblaku 2 elektrónov, ktorý je rozdelený medzi dva protóny.

Tvoria teda skupinu pozostávajúcu z dvoch elektrónov v jedinom oblaku a dvoch protónov oddelených od seba priestorom, no napriek tomu sa nachádzajú vo vnútri oblaku elektrónov. V dôsledku toho dochádza k chemickej reakcii, ktorá pokračuje uvoľňovaním tepla: H + H => H G (znak „=>“ znamená „vchádza do“ alebo „stáva sa“). Konfigurácia H2 je molekula vodíka; keď si kúpite balón s vodíkom, nedostanete nič viac ako molekuly H. Navyše, keď sa spoja dva elektróny H 2 a elektróny atómu 8 O, môžu vytvoriť ešte kompaktnejšiu konfiguráciu - molekulu vody H O plus teplo. Molekula vody je v skutočnosti jeden oblak elektrónov, vo vnútri ktorého sú tri bodové jadrá. Takáto molekula má minimálnu energetickú konfiguráciu.

Spálením ropy alebo uhlia teda prerozdeľujeme elektróny. To vedie k vytvoreniu stabilnejších konfigurácií bodových jadier vo vnútri elektrónových oblakov a je sprevádzané uvoľňovaním tepla. Toto je povaha chemickej energie.

V predchádzajúcej diskusii nám ušiel jeden bod. Prečo jadrá v prírode spočiatku obsahujú dva alebo viac protónov? Každý protón má kladný náboj a keď je vzdialenosť medzi kladnými nábojmi taká malá, že je úmerná priestoru obklopujúceho jadro, navzájom sa silne odpudzujú. Odpudzovanie podobných nábojov je podobné odpudzovaniu, ku ktorému dochádza medzi severnými pólmi dvoch magnetov, keď sa ich pokúšajú nesprávne spojiť. Musí existovať niečo, čo prekoná toto odpudzovanie, inak by existovali iba atómy vodíka. Našťastie vidíme, že to tak nie je.

Na protón pôsobí aj iný druh sily. Toto je jadrová energia. Vďaka tomu, že je veľmi veľký, sú častice pevne držané takmer na sebe. Okrem toho existuje druhý typ ťažkých častíc, ktoré sa od protónu líšia len tým, že nemajú ani kladný, ani záporný náboj. Nie sú odpudzované kladným nábojom protónu. Tieto častice sa nazývajú „neutróny“, pretože sú elektricky neutrálne. Zvláštnosťou je, že nezmenený stav častíc je možný len vo vnútri jadra. Keď je častica mimo jadra, v priebehu asi 10 minút sa zmení na protón, elektrón a veľmi ľahké antineutríno. Vo vnútri jadra však môže zostať nezmenená ľubovoľne dlho. Nech je to akokoľvek, neutrón a protón sa navzájom veľmi silne priťahujú. Po priblížení na dostatočnú vzdialenosť sa spoja a vytvoria veľmi silný pár, takzvaný deuterón, ktorý je označený D +. Jediný deuterón sa spája s jedným elektrónom a vytvára ťažký atóm vodíka alebo deutérium, označované ako D.

Druhá jadrová reakcia nastáva pri interakcii dvoch deuterónov. Keď sú dva deuteróny nútené interagovať, spoja sa a vytvoria časticu, ktorá má dvojitý náboj. Zoskupenie dvoch protónov a dvoch neutrónov je ešte stabilnejšie ako zoskupenie protón-neutrón v deuteróne. Nová častica, neutralizovaná 2 elektrónmi, sa stáva jadrom atómu hélia, ktorý sa nazýva He. V prírode existujú aj veľké skupiny, ktoré sú jadrami uhlíka, dusíka, kyslíka, železa a iných atómov. Existencia všetkých týchto zoskupení je možná vďaka jadrovej sile, ktorá vzniká medzi časticami, keď navzájom interagujú alebo zdieľajú celkový objem priestoru, ktorý sa rovná veľkosti jadra.

Teraz môžeme pochopiť podstatu bežnej jadrovej energie, ktorá je vlastne energiou jadrového štiepenia. Počas ranej histórie vesmíru vznikli masívne hviezdy. Počas explózie takýchto masívnych hviezd sa vytvorili jadrá mnohých typov a opäť vybuchli do vesmíru. Z tejto hmoty vznikli planéty a hviezdy vrátane Slnka.

Je možné, že počas výbuchu sa objavili všetky možné stabilné konfigurácie protónov a neutrónov, ako aj také prakticky stabilné skupiny, ako je jadro uránu. V skutočnosti existujú tri typy jadier uránu: urán-234, urán-235 a urán-238. Tieto "izotopy" sa líšia počtom neutrónov, všetky však obsahujú 92 protónov. Jadrá akéhokoľvek typu atómu uránu sa môžu zmeniť na nižšie energetické konfigurácie vyvrhnutím jadier hélia, avšak tento proces je taký zriedkavý, že pozemský urán si zachováva svoje vlastnosti asi 4 miliardy rokov.

Existuje však aj iný spôsob, ako rozbiť konfiguráciu jadra uránu. Vo všeobecnosti sú protónové a neutrónové zhluky najstabilnejšie, ak obsahujú približne 60 párov protón-neutrón. Počet takýchto párov obsiahnutých v jadre uránu je trikrát vyšší ako tento údaj. V dôsledku toho má tendenciu sa rozdeliť na dve časti, pričom sa uvoľní veľké množstvo tepla. Príroda jej však nedovolí oddeliť sa. Aby to bolo možné, musí sa najskôr presunúť do konfigurácie s vyššou energiou. Avšak jeden typ uránu, urán-235, označený ako 235 U, získava energiu, ktorú potrebuje, zachytením neutrónu. Po získaní potrebnej energie sa jadro rozpadne, pričom sa uvoľní obrovské množstvo energie a pri tomto procese sa uvoľnia ďalšie neutróny. Tieto extra neutróny môžu zase štiepiť jadrá uránu-235, čo vedie k reťazovej reakcii.

Presne tento proces prebieha v jadrových elektrárňach, kde sa teplo, ktoré je konečným produktom jadrového štiepenia, používa na varenie vody, výrobu pary a otáčanie elektrického generátora. (Nevýhodou tohto spôsobu je uvoľňovanie rádioaktívneho odpadu, ktorý je nutné spoľahlivo zneškodniť).

Teraz sme pripravení pochopiť podstatu horúcej jadrovej fúzie. Ako je uvedené v lekcii 5, zhluky protónov a neutrónov sú najstabilnejšie, keď počet protónov a neutrónov približne zodpovedá ich počtu v jadre atómu železa. Rovnako ako urán, ktorý normálne obsahuje príliš veľa neutrón-protónov, ľahké prvky ako vodík, hélium, uhlík, dusík a kyslík obsahujú príliš málo týchto párov.

Ak vytvoríte potrebné podmienky na interakciu týchto jadier, spoja sa do stabilnejších zoskupení s uvoľňovaním tepla. Toto je proces syntézy. V prírode sa nachádza vo hviezdach, ako je Slnko. V prírode je stlačený vodík veľmi horúci a po chvíli nastáva fúzna reakcia. Ak by proces pôvodne prebiehal s deuterónmi, ktoré už obsahujú zdvojený protón a neutrón, reakcie vo hviezdach by prebiehali pomerne ľahko. Rýchlosť, ktorou sa atóm každého konkrétneho typu pohybuje vo vnútri oblaku podobných atómov, priamo závisí od teploty. Čím vyššia je teplota, tým vyššia je rýchlosť a tým bližšie sú atómy k sebe, čím dochádza k jednorazovej zrážke.

Vo hviezdach je teplota dostatočne vysoká na to, aby elektróny opustili jadro. Môžeme teda povedať, že v skutočnosti máme do činenia so zmiešaným oblakom elektrónov a jadier. Pri veľmi vysokej teplote sú jadrá v momente zrážky tak blízko seba, že sa zapne jadrová sila a priťahuje ich k sebe. V dôsledku toho sa jadrá môžu „zlepiť“ a premeniť sa na zväzok protónov a neutrónov s nižšou energiou, pričom sa uvoľní teplo. Horúca fúzia je pokus uskutočniť tento proces v laboratóriu s použitím deutéria a ternárneho vodíka (ktorého jadro obsahuje 1 protón a 2 neutróny) ako plynu. Pre horúcu fúziu je potrebné udržiavať teplotu plynu v stovkách miliónov stupňov, čo sa dá dosiahnuť pomocou magnetického poľa, ale len na 1-2 sekundy. Očakáva sa, že bude možné udržať teplotu plynu dlhší čas. Pokiaľ je teplota dostatočne vysoká, jadrová reakcia prebieha v momente zrážky jadier.

Hlavnou formou uvoľňovania energie je uvoľňovanie vysokoenergetických neutrónov a protónov. Protóny sa veľmi rýchlo premieňajú na teplo. Energia neutrónov sa môže zmeniť aj na teplo, ale potom sa zariadenie stane rádioaktívnym. Je veľmi ťažké dekontaminovať zariadenia, takže horúca fúzia nie je vhodná ako metóda na komerčnú výrobu energie. V každom prípade je horúca fúzna energia snom, ktorý existuje už najmenej 50 rokov. Väčšina vedcov však považuje horúcu fúziu za jediný spôsob výroby fúznej energie. Proces horúcej fúzie produkuje menej žiarenia ako štiepenie, je to ekologický a prakticky neobmedzený zdroj paliva na Zemi (v pomere k modernej spotrebe energie by vystačil na mnoho miliónov rokov).

Konečne sa dostávame k vysvetleniu studenej fúzie. Studená fúzia by mohla byť jednoduchým a nerádioaktívnym spôsobom uvoľnenia fúznej energie. V procese studenej fúzie protóny a neutróny jedného jadra interagujú s protónmi a neutrónmi iného jadra úplne iným spôsobom.

Jadrová sila zároveň prispieva k tomu, že tvoria stabilnejšiu konfiguráciu. Pre akúkoľvek jadrovú reakciu je potrebné, aby reagujúce jadrá mali spoločný objem priestoru. Táto požiadavka sa nazýva zarovnanie častíc. Pri horúcej fúzii sa častice na krátky čas spoja, keď sa prekoná odpudivá sila dvoch kladných nábojov, a jadrá sa zrazia. Počas studenej fúzie sa zarovnanie častíc dosiahne prinútením jadier deutéria, aby sa správali ako fuzzy častice, ako sú elektróny, a nie ako drobné bodové častice. Keď sa k ťažkému kovu pridá ľahký alebo ťažký vodík, každý „atóm“ vodíka zaujme pozíciu, v ktorej je zo všetkých strán obklopený atómami ťažkých kovov.

Táto forma vodíka sa nazýva medziprodukt. Elektróny atómov vodíka sa spolu s intermediárnym vodíkom stávajú súčasťou hmoty elektrónov v kove. Každé jadro vodíka kmitá ako kyvadlo a prechádza cez záporne nabitý oblak kovových elektrónov. K takejto vibrácii dochádza aj pri veľmi nízkych teplotách, v súlade s postulátmi kvantovej mechaniky. Tento pohyb sa nazýva pohyb nulového bodu. V tomto prípade sa jadrá stanú rozmazanými objektmi, ako sú elektróny v atóme. Takáto neostrosť však nestačí na to, aby umožnila interakciu jedného vodíkového jadra s iným.

Ďalšia podmienka je nevyhnutná na to, aby dve alebo viac jadier vodíka mali rovnaký spoločný priestor. Elektrický prúd prenášaný elektrónmi v kove sa správa ako vibrujúca materiálová vlna, nie ako bodové častice. Ak by sa elektróny nesprávali ako vlny v pevných látkach, dnes by neexistovali ani tranzistory, ani moderné počítače. Elektrón vo forme vlny sa nazýva elektrón Blochovej funkcie. Tajomstvom studenej fúzie je potreba získať deuterón Blochovej funkcie. Aby dva alebo viac deuterónov malo spoločný objem priestoru, musia sa vo vnútri alebo na povrchu pevnej látky vytvoriť vlnové deuteróny. Hneď ako sa vytvoria deuteróny s Blochovou funkciou, začne pôsobiť jadrová sila a protóny a neutróny, ktoré tvoria deuterón, sa reorganizujú do stabilnejšej konfigurácie hélia s Blochovou funkciou, čo je sprevádzané uvoľňovaním tepla.

Na štúdium studenej fúzie musí experimentátor uviesť deuteróny do vlnového stavu a udržať ich v tomto stave. Experimenty studenej fúzie demonštrujúce uvoľňovanie prebytočného tepla dokazujú, že je to možné. Zatiaľ však nikto nevie, ako vykonať takýto proces najspoľahlivejším spôsobom. Využitie studenej fúzie sľubuje poskytnutie zdroja energie, ktorý vydrží milióny rokov, pričom nedôjde k problémom s globálnym otepľovaním ani rádioaktivite – preto by sa malo vynaložiť veľké úsilie na štúdium tohto javu.

Všetky fyzické telá prírody sú postavené z druhu hmoty nazývanej hmota. Látky sa delia na dve hlavné skupiny – jednoduché a zložité látky.

Zložené látky sú látky, ktoré možno chemickými reakciami rozložiť na iné, jednoduchšie látky. Na rozdiel od zložitých sú jednoduché látky také, ktoré sa nedajú chemicky rozložiť na ešte jednoduchšie látky.

Príkladom komplexnej látky je voda, ktorú možno chemickou reakciou rozložiť na dve ďalšie, jednoduchšie látky – vodík a kyslík. Pokiaľ ide o posledné dve, tie sa už nedajú chemicky rozložiť na jednoduchšie látky, a preto sú to jednoduché látky, alebo inak povedané chemické prvky.

V prvej polovici 19. storočia sa vo vede predpokladalo, že chemické prvky sú nemenné látky, ktoré nemajú medzi sebou spoločný vzťah. Ruský vedec D. I. Mendelejev (1834 - 1907) však v roku 1869 prvýkrát odhalil príbuznosť chemických prvkov, pričom ukázal, že kvalitatívna charakteristika každého z nich závisí od jeho kvantitatívnej charakteristiky - atómovej hmotnosti.

Pri štúdiu vlastností chemických prvkov si D. I. Mendelejev všimol, že ich vlastnosti sa periodicky opakujú v závislosti od ich atómovej hmotnosti. Túto periodicitu zobrazil vo forme tabuľky, ktorá bola vo vede zahrnutá pod názvom „Mendelejevova periodická tabuľka prvkov“.

Nižšie je uvedená moderná periodická tabuľka chemických prvkov Mendelejeva.

atómov

Podľa moderných koncepcií vedy sa každý chemický prvok skladá zo súboru najmenších hmotných (hmotných) častíc nazývaných atómy.

Atóm je najmenšia časť chemického prvku, ktorá sa už nedá chemicky rozložiť na iné, menšie a jednoduchšie hmotné častice.

Atómy chemických prvkov rôznej povahy sa navzájom líšia svojimi fyzikálno-chemickými vlastnosťami, štruktúrou, veľkosťou, hmotnosťou, atómovou hmotnosťou, vlastnou energiou a niektorými ďalšími vlastnosťami. Napríklad atóm vodíka sa svojimi vlastnosťami a štruktúrou výrazne líši od atómu kyslíka a druhý od atómu uránu atď.

Zistilo sa, že atómy chemických prvkov sú extrémne malé. Ak bežne predpokladáme, že atómy majú guľový tvar, potom by sa ich priemery mali rovnať sto milióntinám centimetra. Napríklad priemer atómu vodíka - najmenšieho atómu v prírode - sa rovná sto milióntine centimetra (10-8 cm) a priemery najväčších atómov, ako je atóm uránu, nepresahujú tri. sto milióntin centimetra (3 10 -8 cm). V dôsledku toho je atóm vodíka toľkokrát menší ako guľa s polomerom jedného centimetra, o koľko je táto guľa menšia ako zemeguľa.

V súlade s veľmi malou veľkosťou atómov je ich hmotnosť tiež veľmi malá. Napríklad hmotnosť atómu vodíka je m = 1,67 10 -24 g To znamená, že jeden gram vodíka obsahuje približne 6 10 23 atómov.

1/16 hmotnosti atómu kyslíka sa považuje za konvenčnú jednotku merania atómovej hmotnosti chemických prvkov. V súlade s touto atómovou hmotnosťou chemického prvku sa nazýva abstraktné číslo, ktoré ukazuje, koľkokrát je hmotnosť daný chemický prvok je väčší ako 1/16 hmotnosti atómu kyslíka.

V periodickej tabuľke prvkov D. I. Mendelejeva sú uvedené atómové hmotnosti všetkých chemických prvkov (pozri číslo umiestnené pod názvom prvku). Z tejto tabuľky vidíme, že najľahší atóm je atóm vodíka, ktorý má atómovú hmotnosť 1,008. Atómová hmotnosť uhlíka je 12, kyslíka 16 atď.

Čo sa týka ťažších chemických prvkov, ich atómová hmotnosť prevyšuje atómovú hmotnosť vodíka viac ako dvestokrát. Atómový vert ortuti je teda 200,6, rádium - 226 atď. Čím vyššie je poradové číslo, ktoré zaberá chemický prvok v periodickom systéme prvkov, tým väčšia je atómová hmotnosť.

Väčšina atómových hmotností chemických prvkov je vyjadrená ako zlomkové čísla. To je do určitej miery vysvetlené skutočnosťou, že takéto chemické prvky pozostávajú z množstva druhov atómov, ktoré majú rôznu atómovú hmotnosť, ale rovnaké chemické vlastnosti.

Chemické prvky, ktoré zaberajú rovnaký počet v periodickej sústave prvkov, a preto majú rovnaké chemické vlastnosti, ale rôznu atómovú hmotnosť, sa nazývajú izotopy.

Izotopy sa nachádzajú vo väčšine chemických prvkov, má dva izotopy, vápnik - štyri, zinok - päť, cín - jedenásť atď. Mnohé izotopy sa získavajú umením, niektoré z nich majú veľký praktický význam.

Elementárne častice hmoty

Dlho sa verilo, že atómy chemických prvkov sú hranicou deliteľnosti hmoty, teda akoby elementárnymi „tehlami“ vesmíru. Moderná veda túto hypotézu zamietla a zistila, že atóm akéhokoľvek chemického prvku je súborom ešte menších hmotných častíc ako je samotný atóm.

Podľa elektronickej teórie štruktúry hmoty je atóm akéhokoľvek chemického prvku systém pozostávajúci z centrálneho jadra, okolo ktorého krúžia „elementárne“ skutočné častice nazývané elektróny. Jadrá atómov sa podľa všeobecne uznávaných názorov skladajú zo súboru „elementárnych“ hmotných častíc – protónov a neutrónov.

Aby sme pochopili štruktúru atómov a fyzikálno-chemické procesy v nich, je potrebné aspoň stručne sa oboznámiť s hlavnými charakteristikami elementárnych častíc, ktoré tvoria atómy.

To sa rozhodlo Elektrón je hmotná častica, ktorá má najmenší záporný elektrický náboj pozorovaný v prírode..

Ak podmienečne predpokladáme, že elektrón ako častica má sférický tvar, potom by sa priemer elektrónu mal rovnať 4 · 10-13 cm, t.j. je desaťtisíckrát menší ako priemer ktoréhokoľvek atómu.

Elektrón, ako každá iná hmotná častica, má hmotnosť. „Kľudová hmotnosť“ elektrónu, teda hmotnosť, ktorú má v stave relatívneho pokoja, sa rovná m o \u003d 9,1 10 -28 g.

Výnimočne malá "pokojová hmotnosť" elektrónu naznačuje, že inertné vlastnosti elektrónu sú extrémne slabé, čo znamená, že elektrón pod vplyvom premenlivej elektrickej sily môže oscilovať v priestore s frekvenciou mnohých miliárd periód za sekundu.

Hmotnosť elektrónu je taká malá, že na získanie jedného gramu elektrónov by bolo potrebných 1027 jednotiek. Aby sme mali aspoň nejakú fyzickú predstavu o tomto kolosálne veľkom počte, uvedieme príklad. Ak by sa jeden gram elektrónov podarilo umiestniť v priamke blízko seba, vytvorili by reťaz dlhú štyri miliardy kilometrov.

Hmotnosť elektrónu, rovnako ako každej inej skutočnej mikročastice, závisí od rýchlosti jeho pohybu. Elektrón, ktorý je v stave relatívneho pokoja, má „pokojovú hmotnosť“, ktorá je mechanickej povahy, ako hmotnosť akéhokoľvek fyzického tela. Čo sa týka "hmotnosti pohybu" elektrónu, ktorá sa zväčšuje s rastom rýchlosti jeho pohybu, je elektromagnetického pôvodu. Je to kvôli prítomnosti elektromagnetického poľa v pohybujúcom sa elektróne ako druhu hmoty, ktorá má hmotnosť a elektromagnetickú energiu.

Čím rýchlejšie sa elektrón pohybuje, tým viac sa prejavujú inerciálne vlastnosti jeho elektromagnetického poľa, tým väčšia je teda jeho hmotnosť, a teda aj jeho elektromagnetická energia. Keďže elektrón so svojím elektromagnetickým poľom tvorí jediný, organicky spojený materiálový systém, je prirodzené, že hmotnosť pohybu elektromagnetického poľa elektrónu možno priamo pripísať samotnému elektrónu.

Elektrón má okrem vlastností častice aj vlnové vlastnosti. Skúsenosťami sa zistilo, že tok elektrónov, podobne ako tok svetla, sa šíri vo forme vlnovitého pohybu. Povaha vlnového pohybu toku elektrónov v priestore je potvrdená javmi interferencie a difrakcie elektronických vĺn.

Elektrónové rušenie je fenomén superpozície elektronických závetov na seba, a elektrónová difrakcia- ide o jav zaoblenia hrán úzkej štrbiny elektrónovými vlnami, ktorými prechádza tok elektrónov. Elektrón teda nie je len častica, ale „časticová vlna“, ktorej dĺžka závisí od hmotnosti a rýchlosti elektrónu.

Zistilo sa, že elektrón okrem svojho translačného pohybu vykonáva aj rotačný pohyb okolo svojej osi. Tento typ pohybu elektrónov sa nazýva "spin" (z anglického slova "spin" - vreteno). V dôsledku takéhoto pohybu získava elektrón okrem elektrických vlastností v dôsledku elektrického náboja aj magnetické vlastnosti, v tomto smere pripomínajúce elementárny magnet.

Protón je hmotná častica, ktorá má kladný elektrický náboj, ktorý sa v absolútnej hodnote rovná elektrickému náboju elektrónu.

Hmotnosť protónu je 1,67 · 10-24 g, t.j. je približne 1840-krát väčšia ako "pokojová hmotnosť" elektrónu.

Na rozdiel od elektrónu a protónu Neutrón nemá elektrický náboj, t.j. je to elektricky neutrálna „elementárna“ častica hmoty. Hmotnosť neutrónu sa prakticky rovná hmotnosti protónu.

Elektróny, protóny a neutróny, ktoré sú v zložení atómov, navzájom interagujú. Najmä elektróny a protóny sa navzájom priťahujú ako častice s opačnými elektrickými nábojmi. Súčasne sa elektrón z elektrónu a protón z protónu odpudzujú ako častice s rovnakými elektrickými nábojmi.

K interakcii všetkých týchto elektricky nabitých častíc dochádza prostredníctvom ich elektrických polí. Tieto polia sú špeciálnym druhom hmoty pozostávajúcej zo súboru elementárnych hmotných častíc nazývaných fotóny. Každý fotón má presne definované vlastné množstvo energie (energetické kvantum).

Interakcia elektricky nabitých častíc materiálu sa uskutočňuje ich vzájomnou výmenou fotónmi. Sila interakcie medzi elektricky nabitými časticami sa zvyčajne nazýva elektrická sila.

Neutróny a protóny v jadrách atómov tiež navzájom interagujú. Táto interakcia medzi nimi sa však už neuskutočňuje prostredníctvom elektrického poľa, keďže neutrón je elektricky neutrálna častica hmoty, ale prostredníctvom takzvaného jadrového poľa.

Toto pole je tiež špeciálnym druhom hmoty, ktorá pozostáva zo súboru elementárnych hmotných častíc nazývaných mezóny. Interakcia neutrónov a protónov sa uskutočňuje vzájomnou výmenou mezónov. Sila vzájomného pôsobenia neutrónov a protónov sa nazýva jadrová sila.

Zistilo sa, že jadrové sily pôsobia v jadrách atómov v extrémne malých vzdialenostiach - približne 10 - 13 cm.

Jadrové sily sú oveľa väčšie ako elektrické sily vzájomného odpudzovania protónov v jadre atómu. To vedie k tomu, že sú schopné nielen prekonať sily vzájomného odpudzovania protónov vo vnútri jadier atómov, ale aj vytvárať veľmi silné systémy jadier z celku protónov a neutrónov.

Stabilita jadra každého atómu závisí od pomeru dvoch protichodných síl – jadrovej (vzájomná príťažlivosť protónov a neutrónov) a elektrickej (vzájomné odpudzovanie protónov).

Výkonné jadrové sily pôsobiace v jadrách atómov prispievajú k vzájomnej premene neutrónov a protónov. Tieto vzájomné premeny neutrónov a protónov sa uskutočňujú v dôsledku uvoľnenia alebo absorpcie ľahších elementárnych častíc, ako sú mezóny.

Častice, o ktorých sme uvažovali, sa nazývajú elementárne, pretože nepozostávajú zo súboru iných, jednoduchších častíc hmoty. Zároveň však nesmieme zabúdať, že sa dokážu navzájom premieňať a vznikajú na úkor toho druhého. Tieto častice sú teda niektorými zložitými útvarmi, t.j. ich elementárnosť je podmienená.

Chemická štruktúra atómov

Najjednoduchším atómom vo svojej štruktúre je atóm vodíka. Tvorí ho súbor iba dvoch elementárnych častíc – protónu a elektrónu. Protón v systéme atómu vodíka hrá úlohu centrálneho jadra, okolo ktorého sa elektrón otáča po určitej dráhe. Na obr. 1 schematicky znázorňuje model atómu vodíka.

Ryža. 1. Schéma štruktúry atómu vodíka

Tento model je len hrubým priblížením k realite. Faktom je, že elektrón ako „časticová vlna“ nemá objem ostro ohraničený od vonkajšieho prostredia. A to znamená, že by sme nemali hovoriť o nejakej presnej lineárnej dráhe elektrónu, ale o akomsi elektrónovom oblaku. V tomto prípade elektrón najčastejšie zaberá určitú strednú čiaru oblaku, ktorá je jednou z jeho možných dráh v atóme.

Je potrebné povedať, že samotná dráha elektrónu nie je v atóme striktne nezmenená a nepohyblivá - tiež v dôsledku zmeny hmotnosti elektrónu vykonáva určitý rotačný pohyb. V dôsledku toho je pohyb elektrónu v atóme pomerne zložitý. Keďže jadro atómu vodíka (protón) a okolo neho rotujúci elektrón majú opačné elektrické náboje, navzájom sa priťahujú.

Zároveň energia elektrónu, rotujúceho okolo jadra atómu, vyvíja odstredivú silu, ktorá má tendenciu ho z jadra odstrániť. V dôsledku toho sú elektrická sila vzájomnej príťažlivosti jadra atómu a elektrónu a odstredivá sila pôsobiaca na elektrón protichodné sily.

V rovnováhe ich elektrón zaujíma relatívne stabilnú polohu na nejakej dráhe v atóme. Keďže hmotnosť elektrónu je veľmi malá, aby sa vyrovnala sila príťažlivosti k jadru atómu, musí sa otáčať obrovskou rýchlosťou, ktorá sa rovná asi 6 x 1015 otáčkam za sekundu. To znamená, že elektrón v systéme atómu vodíka, ako každý iný atóm, sa pohybuje po svojej dráhe lineárnou rýchlosťou presahujúcou tisíc kilometrov za sekundu.

Za normálnych podmienok rotuje elektrón v atóme rodu pozdĺž orbity najbližšej k jadru. Zároveň disponuje minimálnym možným množstvom energie. Ak sa z toho či onoho dôvodu, napríklad vplyvom niektorých iných hmotných častíc, ktoré napadli systém atómu, elektrón presunie na obežnú dráhu vzdialenejšiu od atómu, potom už bude mať o niečo väčšie množstvo energie.

Elektrón však zostane na tejto novej dráhe zanedbateľnú dobu, po ktorej sa opäť otočí na dráhu najbližšie k jadru atómu. Týmto pohybom vydáva svoju prebytočnú energiu vo forme kvanta elektromagnetického žiarenia – žiarivej energie (obr. 2).

Ryža. 2. Elektrón, keď sa pohybuje zo vzdialenej dráhy na dráhu bližšie k jadru atómu, vyžaruje kvantum žiarivej energie

Čím viac energie elektrón zvonku dostane, tým vzdialenejšie od jadra atómu ide na obežnú dráhu a tým viac elektromagnetickej energie vyžaruje, keď sa otáča na dráhu najbližšiu k jadru.

Meraním množstva energie emitovanej elektrónom počas prechodu z rôznych dráh na dráhu najbližšie k atómovému jadru bolo možné stanoviť, že elektrón v systéme atómu vodíka, ako v systéme akéhokoľvek iného atómu, nemôže ísť na ľubovoľnú obežnú dráhu, na presne definovanú v súlade s tou energiou, ktorú dostáva pôsobením vonkajšej sily. Dráhy, ktoré môže elektrón obsadiť v atóme, sa nazývajú povolené dráhy.

Keďže kladný náboj jadra atómu vodíka (protónový náboj) a záporný náboj elektrónu sú číselne rovnaké, ich celkový náboj je nulový. To znamená, že atóm vodíka, ktorý je v normálnom stave, je elektricky neutrálna častica.

To platí pre atómy všetkých chemických prvkov: atóm akéhokoľvek chemického prvku v normálnom stave je elektricky neutrálna častica v dôsledku číselnej rovnosti jeho kladných a záporných nábojov.

Keďže v jadre atómu vodíka je obsiahnutá iba jedna „elementárna“ častica, protón, takzvané hmotnostné číslo tohto jadra sa rovná jednej. Hmotnostné číslo jadra atómu akéhokoľvek chemického prvku je celkový počet protónov a neutrónov, ktoré tvoria toto jadro.

Prírodný vodík pozostáva hlavne zo súboru atómov s hmotnostným číslom rovným jednej. Obsahuje však aj iný druh atómov vodíka s hmotnostným číslom rovným dvom. Atómové jadrá tohto ťažkého vodíka, nazývané deuteróny, pozostávajú z dvoch častíc – protónu a neutrónu. Tento izotop vodíka sa nazýva deutérium.

Prírodný vodík obsahuje veľmi málo deutéria. Na každých šesťtisíc atómov ľahkého vodíka (hmotnostné číslo je jedna) pripadá iba jeden atóm deutéria (ťažký vodík). Existuje ďalší izotop vodíka – superťažký vodík nazývaný trícium. V jadrách atómu tohto izotopu vodíka sú tri častice: protón a dva neutróny, navzájom viazané jadrovými silami. Hmotnostné číslo jadra atómu trícia je tri, t.j. atóm trícia je trikrát ťažší ako ľahký atóm vodíka.

Hoci atómy izotopov vodíka majú rôznu hmotnosť, napriek tomu majú rovnaké chemické vlastnosti. Napríklad ľahký vodík, ktorý vstupuje do chemickej interakcie s kyslíkom, tvorí s ním komplexnú látku - vodu. Podobne izotop vodíka – deutérium po spojení s kyslíkom vytvára vodu, ktorá sa na rozdiel od bežnej vody nazýva ťažká voda. Ťažká voda má veľké využitie pri výrobe jadrovej (atómovej) energie.

V dôsledku toho chemické vlastnosti atómov nezávisia od hmotnosti ich jadier, ale iba od štruktúry elektrónového obalu atómu. Keďže atómy ľahkého vodíka, deutéria a trícia majú rovnaký počet elektrónov (jeden pre každý atóm), tieto izotopy majú rovnaké chemické vlastnosti.

Nie je náhoda, že chemický prvok vodík zaberá prvé číslo v periodickej sústave prvkov. Faktom je, že medzi počtom akéhokoľvek prvku v periodickom systéme prvkov a hodnotou náboja jadra atómu tohto prvku existuje určitá súvislosť. Dá sa to formulovať takto: poradové číslo akéhokoľvek chemického prvku v periodickej sústave prvkov sa číselne rovná kladnému náboju jadra tohto prvku, a teda počtu elektrónov rotujúcich okolo neho.

Keďže vodík zaberá prvé číslo v periodickej sústave prvkov, znamená to, že kladný náboj jadra jeho atómu je rovný jednej a jeden elektrón rotuje okolo jadra.

Chemický prvok hélium zaberá druhé číslo v periodickej sústave prvkov. To znamená, že má kladný elektrický náboj jadra, rovný dvom jednotkám, t.j. v jeho jadre by mali byť dva protóny a v elektrónovom obale atómu dve elektródy.

Prírodné hélium sa skladá z dvoch izotopov – ťažkého a ľahkého hélia. Hmotnostné číslo ťažkého hélia je štyri. To znamená, že zloženie jadra atómu ťažkého hélia musí okrem vyššie uvedených dvoch protónov obsahovať ešte dva neutróny. Čo sa týka ľahkého hélia, jeho hmotnostné číslo sa rovná trom, t.j. okrem dvoch protónov musí jeho jadro obsahovať ešte jeden neutrón.

Zistilo sa, že v prírodnom héliu je počet atómov ľahkého hélia približne jedna milióntina ťažkých geniálnych atómov. Na obr. 3 ukazuje schematický model atómu hélia.

Ryža. 3. Schéma štruktúry atómu hélia

K ďalšej komplikácii štruktúry atómov chemických prvkov dochádza v dôsledku zvýšenia počtu protónov a neutrónov v jadrách týchto atómov a súčasne v dôsledku zvýšenia počtu elektrónov otáčajúcich sa okolo jadier (obr. 4). . Pomocou periodickej sústavy prvkov je ľahké určiť počet elektrónov, protónov a neutrónov, ktoré tvoria rôzne atómy.

Ryža. 4. Schémy stavby jadier atómov: 1 - hélium, 2 - uhlík, 3 - kyslík

Poradové číslo chemického prvku sa rovná počtu protónov v jadre atómu a zároveň počtu elektrónov obiehajúcich okolo jadra. Čo sa týka atómovej hmotnosti, tá sa približne rovná hmotnostnému číslu atómu, t. j. počtu protónov a neutrónov spolu v jadre. Preto odčítaním čísla rovného poradovému číslu prvku od atómovej hmotnosti prvku možno určiť, koľko neutrónov je obsiahnutých v danom jadre.

Zistilo sa, že jadrá ľahkých chemických prvkov, ktoré obsahujú rovnako protóny a neutróny, sa vyznačujú veľmi vysokou pevnosťou, pretože jadrové sily v nich sú relatívne veľké. Napríklad jadro ťažkého atómu hélia je výnimočne silné, pretože sa skladá z dvoch protónov a dvoch neutrónov, ktoré sú navzájom spojené silnými jadrovými silami.

Jadrá atómov ťažších chemických prvkov už vo svojom zložení obsahujú nerovnaký počet protónov a neutrónov, preto je ich väzba v jadre slabšia ako v jadrách ľahkých chemických prvkov. Jadrá týchto prvkov sa dajú pomerne ľahko rozštiepiť pri bombardovaní atómovými „projektilmi“ (neutróny, jadrá atómu hélia a pod.).

Čo sa týka najťažších chemických prvkov, najmä rádioaktívnych, ich jadrá sa vyznačujú takou nízkou pevnosťou, že sa spontánne rozpadajú na svoje zložky. Napríklad atómy rádioaktívneho prvku rádia, pozostávajúceho z kombinácie 88 protónov a 138 neutrónov, sa spontánne rozpadajú a menia sa na atómy rádioaktívneho prvku radónu. Ich atómy sa zase rozpadajú na jednotlivé časti a prechádzajú na atómy iných prvkov.

Po krátkom preskúmaní základných častí jadier atómov chemických prvkov uvažujme o štruktúre elektrónových obalov atómov. Ako je známe, elektróny môžu obiehať okolo jadier atómov len po presne definovaných dráhach. Navyše sú tak zoskupené v elektrónovom obale každého atómu, že je možné rozlíšiť jednotlivé vrstvy elektrónov.

Každá vrstva môže obsahovať počet elektrónov, ktorý nepresahuje presne definovaný počet. Takže napríklad v prvej elektrónovej vrstve, ktorá je najbližšie k jadru atómu, môžu byť maximálne dva elektróny, v druhej - nie viac ako osem elektrónov atď.

Tie atómy, v ktorých sú vonkajšie elektrónové vrstvy úplne vyplnené, majú najstabilnejší elektrónový obal. To znamená, že tento atóm pevne drží všetky svoje elektróny a nepotrebuje ich zvonku prijímať ďalšie množstvo. Napríklad atóm hélia má dva elektróny, ktoré úplne vyplnia prvú elektrónovú vrstvu, a atóm neónu má desať elektrónov, z ktorých prvé dva úplne vyplnia prvú elektrónovú vrstvu a zvyšok - druhý (obr. 5).

Ryža. 5. Schéma štruktúry atómu neónu

V dôsledku toho majú atómy hélia a neónu celkom stabilné elektrónové obaly, nesnažia sa ich žiadnym spôsobom kvantitatívne modifikovať. Takéto prvky sú chemicky inertné, to znamená, že nevstupujú do chemickej interakcie s inými prvkami.

Avšak väčšina chemických prvkov má atómy, v ktorých vonkajšie elektrónové vrstvy nie sú úplne naplnené elektrónmi. Napríklad atóm draslíka má devätnásť elektrónov, z ktorých osemnásť úplne vypĺňa prvé tri vrstvy a devätnásty elektrón je sám v ďalšej nevyplnenej elektrónovej vrstve. Slabé naplnenie štvrtej elektrónovej vrstvy elektrónmi vedie k tomu, že jadro atómu veľmi slabo drží najvzdialenejší - devätnásty elektrón, a preto je možné tento z atómu ľahko vytrhnúť. .

Alebo napríklad atóm kyslíka má osem elektrónov, z ktorých dva úplne vypĺňajú prvú vrstvu a zvyšných šesť sa nachádza v druhej vrstve. Na dokončenie konštrukcie druhej elektrónovej vrstvy v atóme kyslíka jej teda chýbajú iba dva elektróny. Preto atóm kyslíka nielen pevne drží svojich šesť elektrónov v druhej vrstve, ale má tiež schopnosť pritiahnuť dva chýbajúce elektróny k sebe, aby naplnili svoju druhú elektrónovú vrstvu. Dosahuje to chemickou kombináciou s atómami prvkov, v ktorých sú vonkajšie elektróny slabo viazané na ich jadrá.

Chemické prvky, ktorých atómy nemajú vonkajšie elektrónové vrstvy úplne naplnené elektrónmi, sú spravidla chemicky aktívne, to znamená, že ľahko vstupujú do chemickej interakcie.

Elektróny v atómoch chemických prvkov sú teda usporiadané v presne definovanom poradí a akákoľvek zmena ich priestorového usporiadania alebo počtu v elektrónovom obale atómu vedie k zmene fyzikálno-chemických vlastností atómu.

Rovnosť počtu elektrónov a protónov v systéme atómu je dôvodom, že jeho celkový elektrický náboj je rovný nule. Ak sa poruší rovnosť počtu elektrónov a protónov v systéme atómu, potom sa atóm stane elektricky nabitým systémom.

Atóm, v ktorého sústave je narušená rovnováha opačných elektrických nábojov tým, že stratil časť elektrónov, alebo ich naopak získal nadbytok, sa nazýva ión.

Naopak, ak atóm získa určitý nadbytok elektrónov, stane sa negatívnym iónom. Napríklad atóm chlóru, ktorý prijal jeden elektrón navyše, sa zmení na jednoducho nabitý záporný ión chlóru Cl-. Atóm kyslíka, ktorý prijal ďalšie dva elektróny, sa zmení na dvojnásobne nabitý záporný kyslíkový ión O atď.

Atóm, ktorý sa zmenil na ión, sa vo vzťahu k vonkajšiemu prostrediu stáva elektricky nabitým systémom. A to znamená, že atóm začal mať elektrické pole, spolu s ktorým tvorí jeden hmotný systém a prostredníctvom tohto poľa uskutočňuje elektrickú interakciu s inými elektricky nabitými časticami hmoty - iónmi, elektrónmi, kladne nabitými atómovými jadrami atď.

Schopnosť na rozdiel od iónov vzájomne sa priťahovať je dôvodom, že sa chemicky spájajú a vytvárajú zložitejšie častice hmoty - molekuly.

Na záver treba poznamenať, že rozmery atómu sú veľmi veľké v porovnaní s rozmermi tých hmotných častíc, z ktorých sú zložené. Jadro najzložitejšieho atómu spolu so všetkými elektrónmi zaberá miliardtinu objemu atómu. Jednoduchý výpočet ukazuje, že ak by sa jeden kubický meter platiny mohol stlačiť tak tesne, že by zmizli vnútroatómové a medziatómové priestory, získal by sa objem približne jeden kubický milimeter.

Aktobe, 2014

Hadron. Trieda elementárnych častíc podieľajúcich sa na silnej interakcii. Hadróny sa skladajú z kvarkov a delia sa do dvoch skupín: baryóny (z troch kvarkov) a mezóny (z kvarku a antikvarku). Väčšinu hmoty, ktorú pozorujeme, tvoria baryóny: protóny a nukleóny, ktoré sú súčasťou jadier atómov.

Aktivita zdroja žiarenia je pomer celkového počtu rozpadov rádioaktívnych jadier v rádioaktívnom zdroji k času rozpadu.

alfa žiarenia- druh ionizujúceho žiarenia - prúd kladne nabitých častíc (alfa častíc) emitovaných pri rádioaktívnom rozpade a jadrových reakciách. Prenikavá sila alfa žiarenia je nízka (oneskorená listom papiera). Pre zdroje alfa žiarenia je mimoriadne nebezpečné dostať sa do tela s jedlom, vzduchom alebo cez kožné lézie.

Alfa rozpad(alebo α-rozpad) - spontánna emisia častíc alfa (jadier atómu hélia) atómovými jadrami

alfa častica- častica pozostávajúca z dvoch protónov a dvoch neutrónov. Identické s jadrom atómu hélia.

Anihilácia- interakcia elementárnej častice a antičastice, v dôsledku ktorej zanikajú a ich energia sa mení na elektromagnetické žiarenie.

Anihilácia je reakcia premeny častice a antičastice pri zrážke na iné častice.

Antičastica je častica, ktorá má rovnaké hodnoty hmotnosti, spinu, náboja a iných fyzikálnych vlastností ako jej „dvojča“ častica, ale líši sa od nej znakmi niektorých interakčných charakteristík (napríklad znakom elektrického náboja ).

Antičastice sú dvojčatá obyčajných elementárnych častíc, ktoré sa od nich líšia znakom elektrického náboja a znakmi niektorých ďalších charakteristík. Častice a antičastice majú rovnakú hmotnosť, rotáciu a životnosť.

AC- jadrová elektráreň - priemyselný podnik na výrobu elektrickej alebo tepelnej energie s použitím jedného alebo viacerých jadrových reaktorov a súboru potrebných systémov, zariadení, zariadení a štruktúr s potrebným personálom,

Atom- najmenšia častica chemického prvku, ktorá si zachováva svoje vlastnosti. Pozostáva z jadra s protónmi a neutrónmi a elektrónmi, ktoré sa pohybujú okolo jadra. Počet elektrónov v atóme sa rovná počtu protónov v jadre.

Atómová hmotnosť je hmotnosť atómu chemického prvku vyjadrená v jednotkách atómovej hmotnosti (am.m.u.). Za 1 amu Akceptuje sa 1/12 hmotnosti izotopu uhlíka s atómovou hmotnosťou 12. 1amu = 1,6605655 10-27 kg. Atómová hmotnosť je súčet hmotností všetkých protónov a neutrónov v danom atóme.

atómové jadro- kladne nabitá centrálna časť atómu, okolo ktorej krúžia elektróny a v ktorej je sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Pozostáva z protónov a neutrónov. Jadrový náboj je určený celkovým nábojom protónov v jadre a zodpovedá atómovému číslu chemického prvku v periodickej sústave prvkov.

baryóny- častice pozostávajúce z troch kvarkov, ktoré určujú ich kvantové čísla. Všetky baryóny, s výnimkou protónu, sú nestabilné.

skladovací bazén- zariadenie umiestnené v areáli reaktora jadrovej elektrárne na dočasné uskladnenie vyhoretého jadrového paliva pod vrstvou vody za účelom zníženia rádioaktivity a rozpadového tepla.

becquerel(Bq) je jednotka SI aktivity rádioaktívnej látky. 1 Bq sa rovná aktivite takej rádioaktívnej látky, pri ktorej dôjde k jednému rozpadu za 1 s.
β γ-lúče je tok rýchlych elektrónov.
α-lúče je tok jadier hélia.
γ lúče- elektromagnetické vlny s veľmi krátkou vlnovou dĺžkou (L ~ 10 -10 m).

beta žiarenia- druh ionizujúceho žiarenia - prúd elektrónov alebo pozitrónov emitovaných pri jadrových reakciách alebo rádioaktívnom rozpade. Beta žiarenie môže preniknúť do tkanív tela až do hĺbky 1 cm.Pre človeka predstavuje nebezpečenstvo z hľadiska vonkajšej aj vnútornej expozície.

beta častice- elektróny a pozitróny emitované atómovými jadrami, ako aj voľný neutrón počas beta rozpadu. Pri elektrónovom beta rozpade atómového jadra je emitovaný elektrón e - (aj antineutríno), pri pozitrónovom rozpade jadier - pozitrón e + (a neutríno ν). Pri rozpade voľného neutrónu (n) vzniká protón (p), elektrón a antineutríno: n → p + e - +.
Elektrón a pozitrón– stabilné častice so spinom J = 1/2 (vnútorný mechanický moment hybnosti), patriace do triedy leptónov. Pozitron je antičastica vzhľadom na elektrón.

Biologická ochrana- radiačná bariéra vytvorená okolo aktívnej zóny reaktora a jeho chladiaceho systému, aby sa zabránilo škodlivým účinkom neutrónového a gama žiarenia na personál, verejnosť a životné prostredie. Betón je hlavným materiálom biologickej ochrany v jadrovej elektrárni. Pri vysokovýkonných reaktoroch dosahuje hrúbka betónovej ochrannej clony niekoľko metrov.

bozóny(z mena indického fyzika S. Boseho) - elementárne častice, atómové jadrá, atómy s nulovým alebo celočíselným spinom (0ћ, 1ћ, 2ћ, ...).

rýchle neutróny- neutróny, ktorých kinetická energia je vyššia ako nejaká určitá hodnota. Táto hodnota sa môže meniť v širokom rozsahu a závisí od aplikácie (fyzika reaktora, ochrana alebo dozimetria). V reaktorovej fyzike sa táto hodnota najčastejšie volí 0,1 MeV.

oblaková komora– dráhový detektor elementárnych nabitých častíc, v ktorom stopa (stopa) častice tvorí reťazec malých kvapiek kvapaliny pozdĺž trajektórie jej pohybu.

Gama žiarenie- druh ionizujúceho žiarenia - elektromagnetické žiarenie emitované pri rádioaktívnom rozpade a jadrových reakciách, šíriace sa rýchlosťou svetla a majúce vysokú energiu a prenikavú silu. Účinne sa oslabuje pri interakcii s ťažkými prvkami, ako je olovo. Na zoslabenie gama žiarenia v jadrových reaktoroch jadrových elektrární sa používa hrubostenná ochranná clona z betónu.

Zákon rádioaktívneho rozpadu- zákon, podľa ktorého sa nachádza počet nerozložených atómov: N \u003d N 0 2 -t / T.

deutérium- "ťažký" izotop vodíka s atómovou hmotnosťou 2.

Detektor ionizujúceho žiarenia- citlivý prvok meracieho prístroja určený na registráciu ionizujúceho žiarenia. Jeho pôsobenie je založené na javoch, ktoré sa vyskytujú pri prechode žiarenia hmotou.

Dávka žiarenia- v radiačnej bezpečnosti - miera vplyvu ionizujúceho žiarenia na biologický objekt, najmä človeka. Existujú expozičné, absorbované a ekvivalentné dávky.

Nadbytočná hmota(alebo hromadný defekt) - vyjadrené v jednotkách energie, rozdiel medzi hmotnosťou neutrálneho atómu a súčinom počtu nukleónov (celkového počtu protónov a neutrónov) v jadre tohto atómu na jednotku atómovej hmotnosti

izotopy- nuklidy s rovnakým atómovým číslom, ale rôznou atómovou hmotnosťou (napríklad urán-235 a urán-238).

izotopy- atómové jadrá, ktoré majú rovnaký počet protónov Z, rôzny počet neutrónov N a následne aj iné hmotnostné číslo A = Z + N. Príklad: izotopy vápnika Ca (Z = 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca 41 Ca, 42 Ca.

Rádioaktívne izotopy sú izotopové jadrá, ktoré podliehajú rádioaktívnemu rozpadu. Väčšina známych izotopov je rádioaktívna (~3500).

oblaková komora- prístroj na pozorovanie stôp mikročastíc pohybujúcich sa veľkou rýchlosťou (elektróny, protóny, a-častice a pod.). Vytvoril ho v roku 1912 anglický fyzik Wilson.

Kvark je elementárna nabitá častica, ktorá sa podieľa na silnej interakcii. Protóny a neutróny sa skladajú z troch kvarkov.

kozmického žiarenia- ionizujúce žiarenie pozadia, ktoré pozostáva z primárneho žiarenia prichádzajúceho z kozmického priestoru a sekundárneho žiarenia vznikajúceho pri interakcii primárneho žiarenia s atmosférou.

Kozmické žiarenie sú prúdy vysokoenergetických nabitých elementárnych častíc (hlavne protónov, alfa častíc a elektrónov), ktoré sa šíria v medziplanetárnom a medzihviezdnom priestore a neustále „bombardujú“ Zem.

multiplikačný faktor- najdôležitejšia charakteristika štiepnej reťazovej reakcie, ukazujúca pomer počtu neutrónov danej generácie k počtu neutrónov predchádzajúcej generácie v nekonečnom prostredí. Často sa používa iná definícia multiplikačného faktora - pomer rýchlostí tvorby a absorpcie neutrónov.

Kritické množstvo- najmenšia hmotnosť paliva, v ktorej môže prebiehať samoudržiavacia reťazová reakcia jadrového štiepenia s určitou konštrukciou a zložením aktívnej zóny (závisí od mnohých faktorov, napr.: zloženie paliva, moderátor, tvar jadra atď.).

Curie (Ci)- mimosystémová jednotka aktivity, spočiatku aktivita 1 g izotopu rádia-226. 1Ci = 3,7 1010 Bq.

Kritické množstvo(t k) - najmenšia hmotnosť jadrového paliva (urán, plutónium), pri ktorej prebieha jadrová reťazová reakcia.

Curie(Ki) je mimosystémová jednotka aktivity rádioaktívnej látky. 1 Ci \u003d 3,7 10 10 Bq.

Leptóny(z gréckeho leptos - ľahké, malé) - skupina bodových častíc so spinom 1/2ћ, ktoré sa nezúčastňujú silnej interakcie. Veľkosť leptónu (ak existuje)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:

• elektrón (e -) a elektrónové neutríno (ν e),
• mión (μ –) a miónové neutríno (ν μ),
• tau leptón (τ –) a tau neutrino (ν τ),

Magické jadrá sú atómové jadrá obsahujúce takzvané magické čísla protónov alebo neutrónov.

Z
N

Tieto jadrá majú väzbovú energiu väčšiu ako susedné jadrá. Majú vysokú separačnú energiu nukleónov a zvýšený výskyt v prírode.

Hromadné číslo(A) je celkový počet nukleónov (protónov a neutrónov) v atómovom jadre; jedna z hlavných charakteristík atómového jadra.

Dávkový príkon- pomer prírastku dávky žiarenia za časový interval k tomuto intervalu (napríklad: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, µrem/h, µSv/h).

Neutrón- neutrálny elementárny častý s hmotnosťou blízkou hmotnosti protónov. Spolu s protónmi tvoria neutróny atómové jadro. Vo voľnom stave je nestabilný a rozpadá sa na protón a elektrón.

Nuklid- druh atómu s určitým počtom protónov a neutrónov v jadre, charakterizovaný atómovou hmotnosťou a atómovým (sériovým) číslom.

Obohatenie (izotopom):

2. Proces, ktorý zvyšuje obsah určitého izotopu v zmesi izotopov.

Obohacovanie uránovej rudy- súbor procesov primárneho spracovania nerastných surovín s obsahom uránu s cieľom oddeliť urán od ostatných nerastov tvoriacich rudu. V tomto prípade nedochádza k zmene zloženia minerálov, ale len k ich mechanickému oddeľovaniu s výrobou rudného koncentrátu.

Obohatené jadrové palivo- jadrové palivo, v ktorom je obsah štiepnych nuklidov vyšší ako vo východiskovej prírodnej surovine.

Obohatený urán- urán, v ktorom je obsah izotopu uránu-235 vyšší ako v prírodnom uráne.

Polovičný život(T) je časový interval, počas ktorého sa rozpadne polovica počiatočného počtu jadier.

Polovičný život je čas, za ktorý sa rozpadne polovica rádioaktívnych jadier. Táto veličina, označovaná ako T1/2, je konštanta pre dané rádioaktívne jadro (izotop). Hodnota T 1/2 jasne charakterizuje rýchlosť rozpadu rádioaktívnych jadier a je ekvivalentná dvom ďalším konštantám, ktoré túto rýchlosť charakterizujú: priemerná doba života rádioaktívneho jadra τ a pravdepodobnosť rozpadu rádioaktívneho jadra za jednotku času λ.

Absorbovaná dávka žiarenia- pomer absorbovanej energie E ionizujúceho žiarenia k hmotnosti ožarovanej látky.

Bohrove postuláty- hlavné predpoklady zavedené bez dôkazu N. Bohrom, ktoré tvoria základ kvantovej teórie atómu.

Pravidlo posunutia: pri a-rozpade jadro stratí kladný náboj 2e a jeho hmotnosť sa zníži približne o 4 a.m.u.; pri b-rozpade sa náboj jadra zväčší o 1e a hmotnosť sa nemení.

Polčas rozpadu rádionuklidu je čas, za ktorý sa počet jadier daného rádionuklidu v dôsledku samovoľného rozpadu zníži na polovicu.

Pozitrón- antičastica elektrónu s hmotnosťou rovnajúcou sa hmotnosti elektrónu, ale s kladným elektrickým nábojom.

Proton- stabilná kladne nabitá elementárna častica s nábojom 1,61 10-19 C a hmotnosťou 1,66 10-27 kg. Protón tvorí jadro „ľahkého“ izotopu atómu vodíka (protium). Počet protónov v jadre akéhokoľvek prvku určuje náboj jadra a atómové číslo tohto prvku.

Rádioaktivita- samovoľná premena (rádioaktívny rozpad) nestabilného nuklidu na iný nuklid, sprevádzaná emisiou ionizujúceho žiarenia.

Rádioaktivita- schopnosť niektorých atómových jadier samovoľne sa premieňať na iné jadrá, pričom emitujú rôzne častice.

rádioaktívny rozpad- spontánna jadrová premena.

Chovateľský reaktor- rýchly reaktor, v ktorom konverzný faktor presahuje 1 a vykonáva sa rozšírená reprodukcia jadrového paliva.

Geigerov počítač(alebo Geiger-Mullerov počítadlo) - plynom naplnené počítadlo nabitých elementárnych častíc, ktorého elektrický signál je zosilnený sekundárnou ionizáciou objemu plynu počítadla a nezávisí od energie, ktorú častica zanechá v tomto objem.

TVEL- prvok generujúci teplo. Hlavný konštrukčný prvok aktívnej zóny heterogénneho reaktora, vo forme ktorého sa do nej vkladá palivo. V palivových tyčiach dochádza k štiepeniu ťažkých jadier U-235, Pu-239 alebo U-233 sprevádzanému uvoľňovaním energie a tepelná energia sa z nich prenáša do chladiacej kvapaliny. Palivové tyče pozostávajú z palivového jadra, plášťa a koncoviek. Typ palivového článku je určený typom a účelom reaktora, parametrami chladiva. Palivový článok musí zabezpečiť spoľahlivý odvod tepla z paliva do chladiacej kvapaliny.

Pracovné telo- médium (nosič tepla) slúžiace na premenu tepelnej energie na mechanickú energiu.

Temná hmota− neviditeľná (nevyžarujúca a neabsorbujúca) látka. O jeho existencii rozhodne svedčia gravitačné účinky. Údaje z pozorovaní tiež naznačujú, že táto energia temnej hmoty je rozdelená na dve časti:

• prvou je takzvaná tmavá hmota s hustotou
  W dm = 0,20–0,25, sú neznáme, slabo interagujúce masívne častice (nie baryóny). Môžu to byť napríklad stabilné neutrálne častice s hmotnosťou od 10 GeV/c2 do 10 TeV/c2 predpovedanou supersymetrickými modelmi, vrátane hypotetických ťažkých neutrín;

druhá je takzvaná tmavá energia s hustotou
W Λ = 0,70–0,75), čo sa interpretuje ako vákuum. Ide o špeciálnu formu hmoty – fyzikálne vákuum, t.j. najnižší energetický stav fyzikálnych polí prenikajúcich priestorom.

termonukleárne reakcie− fúzne reakcie (syntéza) ľahkých jadier prebiehajúce pri vysokých teplotách. Tieto reakcie zvyčajne prebiehajú s uvoľnením energie, keďže v ťažšom jadre vzniknutom v dôsledku fúzie sú nukleóny viazané pevnejšie, t.j. majú v priemere vyššiu väzbovú energiu ako v počiatočných zlučovacích jadrách. Prebytočná celková väzbová energia nukleónov sa potom uvoľní vo forme kinetickej energie reakčných produktov. Názov „fúzne reakcie“ odráža skutočnosť, že tieto reakcie prebiehajú pri vysokých teplotách ( > 10 7 –10 8 K), pretože pre splynutie sa ľahké jadrá musia k sebe priblížiť na vzdialenosti rovnajúce sa polomeru pôsobenia jadrových príťažlivých síl, t.j. do vzdialenosti ≈10 -13 cm.

Transuránové prvky- chemické prvky s nábojom (počet protónov) väčším ako má urán, t.j. Z > 92.

štiepna reťazová reakcia- sebestačná reakcia štiepenia ťažkých jadier, pri ktorej sa neustále reprodukujú neutróny, čím sa delia stále nové a nové jadrá.

štiepna reťazová reakcia- postupnosť štiepnej reakcie jadier ťažkých atómov pri ich interakcii s neutrónmi alebo inými elementárnymi časticami, v dôsledku čoho vznikajú ľahšie jadrá, nové neutróny alebo iné elementárne častice a uvoľňuje sa jadrová energia.

Jadrová reťazová reakcia- sled jadrových reakcií excitovaných časticami (napríklad neutrónmi), ktoré sa rodia pri každom dejstve reakcie. V závislosti od priemerného počtu reakcií nasledujúcich po jednej predchádzajúcej – menšej, rovnej alebo väčšej ako jedna – sa reakcia nazýva tlmená, samoudržiavacia alebo rastúca.

Reťazové jadrové reakcie- samoudržiavacie jadrové reakcie, do ktorých sa postupne zapája reťazec jadier. Stáva sa to vtedy, keď jeden z produktov jadrovej reakcie reaguje s iným jadrom, produkt druhej reakcie reaguje s ďalším jadrom atď. Nastáva reťazec po sebe nasledujúcich jadrových reakcií. Najznámejším príkladom takejto reakcie je jadrová štiepna reakcia spôsobená neutrónom

exotermické reakcie- jadrové reakcie prebiehajúce s uvoľňovaním energie.

Elementárne častice- najmenšie častice fyzikálnej hmoty. Predstavy o elementárnych časticiach odrážajú tú etapu poznania štruktúry hmoty, ktorú dosiahla moderná veda. Spolu s antičasticami bolo objavených asi 300 elementárnych častíc. Pojem „elementárne častice“ je ľubovoľný, pretože mnohé elementárne častice majú zložitú vnútornú štruktúru.

Elementárne častice- hmotné predmety, ktoré nemožno rozdeliť na súčasti. V súlade s touto definíciou elementárne častice nemôžu zahŕňať molekuly, atómy a atómové jadrá, ktoré možno rozdeliť na jednotlivé časti - atóm je rozdelený na jadro a orbitálne elektróny, jadro - na nukleóny.

Energetický výťažok jadrovej reakcie- rozdiel medzi pokojovými energiami jadier a častíc pred a po reakcii.

Endotermické reakcie- jadrové reakcie prebiehajúce s absorpciou energie.

Väzbová energia atómového jadra(E St) - charakterizuje intenzitu interakcie nukleónov v jadre a rovná sa maximálnej energii, ktorá sa musí vynaložiť na rozdelenie jadra na samostatné neinteragujúce nukleóny bez toho, aby sa im udelila kinetická energia.

Mössbov efekt uera - jav rezonančnej absorpcie gama kvánt atómovými jadrami bez straty energie pre návrat hybnosti.

Jadrový (planetárny) model atómu- v strede je kladne nabité jadro (priemer cca 10 -15 m); okolo jadra, podobne ako planéty slnečnej sústavy, sa elektróny pohybujú po kruhových dráhach.

jadrové modely– zjednodušené teoretické popisy atómových jadier na základe znázornenia jadra ako objektu s vopred určenými charakteristickými vlastnosťami.

Reakcia jadrového štiepenia- reakcia štiepenia atómových jadier ťažkých prvkov pod vplyvom neutrónov.

jadrovej reakcie- reakcia premeny atómových jadier v dôsledku vzájomného pôsobenia alebo interakcie s akýmikoľvek elementárnymi časticami.

Jadrová energia je energia uvoľnená v dôsledku vnútornej reštrukturalizácie atómových jadier. Jadrovú energiu možno získať jadrovými reakciami alebo rádioaktívnym rozpadom jadier. Hlavnými zdrojmi jadrovej energie sú štiepne reakcie ťažkých jadier a syntéza (kombinácia) ľahkých jadier. Posledný proces sa tiež nazýva termonukleárne reakcie.

jadrové sily- sily pôsobiace medzi nukleónmi v atómových jadrách a určujúce štruktúru a vlastnosti jadier. Sú krátkeho dosahu, ich dosah je 10-15 m.

Nukleárny reaktor- zariadenie, v ktorom sa uskutočňuje riadená reťazová reakcia jadrového štiepenia.

Samostatná štiepna reťazová reakcia je reťazová reakcia v prostredí, pre ktoré je multiplikačný faktor k >= 1.

jadrovej havárie- Jadrová nehoda je strata kontroly nad reťazovou reakciou v reaktore alebo vytvorenie kritického množstva počas prekládky, prepravy a skladovania palivových tyčí. Následkom jadrovej havárie dochádza k poškodeniu palivových tyčí v dôsledku nerovnováhy vzniknutého a odvádzaného tepla s únikom produktov rádioaktívneho štiepenia smerom von. V tomto prípade je možná potenciálne nebezpečná expozícia ľudí a kontaminácia okolia. .

Jadrová bezpečnosť- všeobecný pojem, ktorý charakterizuje vlastnosti jadrového zariadenia pri bežnej prevádzke a v prípade havárie obmedziť radiačný vplyv na personál, verejnosť a životné prostredie na prijateľné limity.

Jadrové štiepenie- proces sprevádzaný štiepením jadra ťažkého atómu pri interakcii s neutrónom alebo inou elementárnou časticou, v dôsledku čoho vznikajú ľahšie jadrá, nové neutróny alebo iné elementárne častice a uvoľňuje sa energia.

jadrového materiálu- akýkoľvek zdrojový materiál, špeciálny jadrový materiál a niekedy rudy a rudný odpad.

jadrovej transformácie- premena jedného nuklidu na druhý.

Nukleárny reaktor- zariadenie, v ktorom sa uskutočňuje riadená jadrová reťazová reakcia. Jadrové reaktory sú klasifikované podľa účelu, energie neutrónov, typu chladiva a moderátora, štruktúry aktívnej zóny, konštrukcie a iných charakteristických vlastností.

jadrovej reakcie- premena atómových jadier spôsobená ich interakciou s elementárnymi časticami alebo navzájom a sprevádzaná zmenou hmotnosti, náboja alebo energetického stavu jadier.

Jadrové palivo- materiál obsahujúci štiepne nuklidy, ktorý po umiestnení do jadrového reaktora umožňuje priebeh jadrovej reťazovej reakcie. Má veľmi vysokú energetickú náročnosť (pri úplnom štiepení 1 kg U-235 sa uvoľní energia rovnajúca sa J, pričom spálením 1 kg organického paliva sa uvoľní energia rádovo (3-5) J, v závislosti podľa druhu paliva).

Cyklus jadrového paliva- súbor opatrení na zabezpečenie prevádzky jadrových reaktorov vykonávaných v sústave podnikov prepojených tokom jadrového materiálu vrátane uránových baní, závodov na spracovanie uránovej rudy, konverzie uránu, obohacovania a výroby paliva, jadrových reaktorov, skladov vyhoreného paliva zariadenia, palivá zo závodov na prepracovanie vyhoreného paliva a súvisiace medziskladovacie a skladovacie zariadenia na ukladanie rádioaktívneho odpadu

jadrová elektráreň- každé zariadenie, ktoré vyrába, spracováva alebo manipuluje s rádioaktívnymi alebo štiepnymi materiálmi v takých množstvách, že je potrebné brať do úvahy otázky jadrovej bezpečnosti.

Jadrová energia- vnútorná energia jadier atómov uvoľnená pri jadrovom štiepení alebo jadrových reakciách.

Jadrový energetický reaktor- jadrový reaktor, ktorého hlavným účelom je výroba energie.

Nukleárny reaktor- jadrový reaktor je zariadenie určené na organizovanie riadenej autonómnej štiepnej reťazovej reakcie - sled reakcií jadrového štiepenia, pri ktorých sa uvoľňujú voľné neutróny, ktoré sú potrebné na štiepenie nových jadier.

Jadrový reaktor s rýchlymi neutrónmi- Reaktory sa výrazne líšia v neutrónovom spektre - distribúcii neutrónov podľa energie a následne v spektre absorbovaných (spôsobujúcich jadrové štiepenie) neutrónov. Ak jadro neobsahuje ľahké jadrá špeciálne navrhnuté na spomalenie v dôsledku elastického rozptylu, potom je prakticky celé spomalenie spôsobené nepružným rozptylom neutrónov ťažkými a stredne ťažkými jadrami. V tomto prípade je väčšina štiepení spôsobená neutrónmi s energiami rádovo desiatok a stoviek keV. Takéto reaktory sa nazývajú rýchle neutrónové reaktory.

Jadrový reaktor na tepelných neutrónoch- reaktor, ktorého jadro obsahuje také množstvo moderátora - materiál určený na zníženie energie neutrónov bez badateľnej absorpcie, že väčšinu štiepení spôsobujú neutróny s energiami menšími ako 1 eV.

jadrové sily- sily držiace nukleóny (protóny a neutróny) v jadre.

Jadrové sily sú krátkeho dosahu . Objavujú sa len vo veľmi malých vzdialenostiach medzi nukleónmi v jadre rádovo 10 -15 m Dĺžka (1,5 - 2,2) 10 -15 je tzv. rozsah jadrových síl .

Objavujú jadrové sily účtovná nezávislosť t.j. príťažlivosť medzi dvoma nukleónmi je rovnaká bez ohľadu na stav nabitia nukleónov - protón alebo neutrón.

Jadrové sily majú saturačná vlastnosť , čo sa prejavuje tým, že nukleón v jadre interaguje len s obmedzeným počtom susedných nukleónov, ktoré sú mu najbližšie. Takmer úplná saturácia jadrových síl sa dosiahne v α-častici, čo je veľmi stabilná formácia.

jadrové sily závisia od orientácie spinov interagujúcich nukleónov . Potvrdzuje to rozdielny charakter rozptylu neutrónov orto- a paro-vodíkových molekúl.

jadrové sily nie sú centrálne .

Štúdiom štruktúry hmoty sa fyzici dozvedeli, z čoho sa skladajú atómy, dostali sa k atómovému jadru a rozdelili ho na protóny a neutróny. Všetky tieto kroky boli zadané celkom jednoducho - bolo potrebné len rozptýliť častice na požadovanú energiu, zatlačiť ich proti sebe a potom sa samy rozpadli na jednotlivé časti.

Ale s protónmi a neutrónmi tento trik nefungoval. Hoci sú to zložené častice, nemožno ich „rozbiť“ ani pri tej najnásilnejšej zrážke. Fyzikom preto trvalo desaťročia, kým prišli na rôzne spôsoby, ako sa pozrieť do vnútra protónu, vidieť jeho štruktúru a tvar. Štúdium štruktúry protónu je dnes jednou z najaktívnejších oblastí fyziky elementárnych častíc.

Príroda dáva rady

História štúdia štruktúry protónov a neutrónov siaha až do 30. rokov minulého storočia. Keď boli okrem protónov objavené aj neutróny (1932), meraním ich hmotnosti fyzici s prekvapením zistili, že je veľmi blízko hmotnosti protónu. Navyše sa ukázalo, že protóny a neutróny „cítia“ jadrovú interakciu úplne rovnakým spôsobom. Toľko, že z hľadiska jadrových síl možno protón a neutrón považovať za dva prejavy tej istej častice – nukleónu: protón je elektricky nabitý nukleón a neutrón je neutrálny nukleón. Vymeňte protóny za neutróny a jadrové sily si (takmer) nič nevšimnú.

Fyzici vyjadrujú túto vlastnosť prírody ako symetriu – jadrová interakcia je symetrická vzhľadom na nahradenie protónov neutrónmi, rovnako ako motýľ je symetrický vzhľadom na nahradenie ľavého za pravý. Táto symetria, okrem toho, že zohrávala dôležitú úlohu v jadrovej fyzike, bola vlastne prvým náznakom, že nukleóny majú zaujímavú vnútornú štruktúru. Pravdaže, v 30. rokoch minulého storočia si fyzici tento náznak neuvedomili.

Pochopenie prišlo až neskôr. Začalo to tým, že v 40. a 50. rokoch 20. storočia pri reakciách zrážok protónov s jadrami rôznych prvkov vedci s prekvapením objavovali stále nové a nové častice. Nie protóny, nie neutróny, dovtedy neobjavené pí-mezóny, ktoré udržujú nukleóny v jadrách, ale nejaké úplne nové častice. Napriek všetkej rozmanitosti mali tieto nové častice dve spoločné vlastnosti. Po prvé, rovnako ako nukleóny sa veľmi ochotne podieľali na jadrových interakciách - teraz sa takéto častice nazývajú hadróny. A po druhé, boli mimoriadne nestabilné. Najnestabilnejšie z nich sa rozpadli na iné častice len za bilióninu nanosekundy a nestihli ani preletieť veľkosťou atómového jadra!

Dlhú dobu bola „zoo“ hadrónov úplným húfom. Koncom 50. rokov už fyzici rozoznávali pomerne veľa rôznych typov hadrónov, začali ich navzájom porovnávať a zrazu v ich vlastnostiach videli určitú všeobecnú symetriu, až periodicitu. Predpokladalo sa, že vo všetkých hadrónoch (vrátane nukleónov) sú nejaké jednoduché objekty, ktoré sa nazývajú „kvarky“. Rôznym kombinovaním kvarkov je možné získať rôzne hadróny, navyše presne rovnakého typu a s takými vlastnosťami, aké boli zistené v experimente.

Čo robí protón protónom?

Po tom, čo fyzici objavili kvarkovú štruktúru hadrónov a dozvedeli sa, že kvarky sa vyskytujú v niekoľkých rôznych variantoch, bolo jasné, že z kvarkov možno skonštruovať mnoho rôznych častíc. Takže nikoho neprekvapilo, keď nasledujúce experimenty pokračovali v hľadaní nových hadrónov jeden po druhom. Ale medzi všetkými hadrónmi bola nájdená celá rodina častíc, ktorá pozostávala, rovnako ako protón, iba z dvoch u- kvarky a jeden d-kvark. Akísi „bratia“ protónu. A tu čakalo fyzikov prekvapenie.

Najprv urobme jedno jednoduché pozorovanie. Ak máme niekoľko predmetov pozostávajúcich z rovnakých "tehál", potom ťažšie predmety obsahujú viac "tehál" a ľahšie - menej. Ide o veľmi prirodzený princíp, ktorý možno nazvať princípom kombinácie alebo princípom nadstavby a dokonale sa napĺňa ako v bežnom živote, tak aj vo fyzike. Prejavuje sa to dokonca aj v štruktúre atómových jadier – veď ťažšie jadrá sa jednoducho skladajú z väčšieho počtu protónov a neutrónov.

Na úrovni kvarkov však tento princíp vôbec nefunguje a, pravdaže, fyzici ešte úplne neprišli na to, prečo. Ukazuje sa, že ťažkí bratia protónu tiež pozostávajú z rovnakých kvarkov ako protón, hoci sú jeden a pol alebo dokonca dvakrát ťažšie ako protón. Líšia sa od protónu (a líšia sa od seba) nie zloženie, ale vzájomné umiestnenie kvarky, podľa stavu, v ktorom sú tieto kvarky navzájom relatívne. Stačí zmeniť vzájomnú polohu kvarkov – a z protónu dostaneme ďalšiu, citeľne ťažšiu, časticu.

Čo sa však stane, ak aj tak vezmete a zozbierate spolu viac ako tri kvarky? Získa sa nová ťažká častica? Prekvapivo to nepôjde – kvarky sa rozlomia na tri a premenia sa na niekoľko nesúrodých častíc. Príroda z nejakého dôvodu „nerada“ spája veľa kvarkov do jedného! Len veľmi nedávno, doslova v posledných rokoch, sa začali objavovať náznaky, že nejaké multikvarkové častice skutočne existujú, ale to len zdôrazňuje, ako veľmi ich príroda nemá rada.

Z tejto kombinatoriky vyplýva veľmi dôležitý a hlboký záver – hmotnosť hadrónov vôbec nepozostáva z hmotnosti kvarkov. Ale ak sa hmotnosť hadrónu dá zvýšiť alebo znížiť jednoduchou rekombináciou jeho stavebných blokov, potom samotné kvarky nie sú vôbec zodpovedné za hmotnosť hadrónov. V ďalších experimentoch sa totiž podarilo zistiť, že hmotnosť samotných kvarkov je len asi dve percentá hmotnosti protónu a zvyšok gravitácie vzniká v dôsledku silového poľa (špeciálne častice - gluóny), ktoré viazať kvarky dohromady. Zmenou vzájomného usporiadania kvarkov, napríklad ich oddialením od seba, tým zmeníme gluónový oblak, urobíme ho hmotnejším, a preto sa hmotnosť hadrónu zväčší (obr. 1).

Čo sa deje vo vnútri rýchlo letiaceho protónu?

Všetko popísané vyššie sa týka nehybného protónu, rečou fyzikov ide o štruktúru protónu v jeho pokojovom rámci. V experimente však bola štruktúra protónu prvýkrát objavená v iných podmienkach – vo vnútri rýchle lietanie protón.

Koncom 60. rokov 20. storočia sa pri experimentoch so zrážkou častíc na urýchľovačoch zistilo, že protóny letiace rýchlosťou blízkou svetlu sa správali, ako keby energia v nich nebola rozložená rovnomerne, ale sústredená do samostatných kompaktných objektov. Slávny fyzik Richard Feynman navrhol nazvať tieto zhluky hmoty vo vnútri protónov partons(z angličtiny časť-časť).

V nasledujúcich experimentoch sa študovali mnohé vlastnosti partónov – napríklad ich elektrický náboj, ich počet a podiel energie protónov, ktoré každý nesie. Ukazuje sa, že nabité partóny sú kvarky a neutrálne partóny sú gluóny. Áno, áno, práve tie gluóny, ktoré v zvyšku protónu jednoducho „slúžili“ kvarkom a priťahovali ich k sebe, sú teraz nezávislými partónmi a spolu s kvarkami nesú „hmotu“ a energiu rýchleho pohybu. - lietajúci protón. Experimenty ukázali, že približne polovica energie je uložená v kvarkoch a polovica v gluónoch.

Partóny sa najpohodlnejšie študujú pri zrážke protónov s elektrónmi. Faktom je, že na rozdiel od protónu sa elektrón nezúčastňuje silných jadrových interakcií a jeho zrážka s protónom vyzerá veľmi jednoducho: elektrón na veľmi krátku dobu vyžaruje virtuálny fotón, ktorý narazí do nabitého partónu a nakoniec vygeneruje tzv. veľké množstvo častíc (obr. 2). Dá sa povedať, že elektrón je výborným skalpelom na „otváranie“ protónu a jeho rozdelenie na samostatné časti – avšak len na veľmi krátky čas. Keď vieme, ako často sa takéto procesy vyskytujú v urýchľovači, je možné merať počet partónov vo vnútri protónu a ich náboje.

Kto sú skutoční partoni?

A tu sa dostávame k ďalšiemu úžasnému objavu, ktorý fyzici urobili pri štúdiu zrážok elementárnych častíc pri vysokých energiách.

Za normálnych podmienok má otázka, z čoho pozostáva ten či onen objekt, univerzálnu odpoveď pre všetky referenčné rámce. Napríklad molekula vody pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka – a je jedno, či sa pozeráme na nehybnú alebo pohyblivú molekulu. Avšak, toto pravidlo - zdalo by sa tak prirodzené! - porušené, ak hovoríme o elementárnych časticiach pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. V jednom referenčnom rámci môže komplexná častica pozostávať z jednej sady subčastíc a v inej referenčnej sústave z inej. Ukazuje sa, že zloženie je relatívny pojem!

Ako to môže byť? Kľúčová je tu jedna dôležitá vlastnosť: počet častíc v našom svete nie je fixný – častice sa môžu rodiť a zanikať. Napríklad, ak sa dva elektróny s dostatočne vysokou energiou pritlačia k sebe, potom sa okrem týchto dvoch elektrónov môže zrodiť buď fotón, alebo elektrón-pozitrónový pár, prípadne nejaké ďalšie častice. Toto všetko umožňujú kvantové zákony a presne to sa deje aj v skutočných experimentoch.

Ale tento „zákon o nezachovaní“ častíc funguje pri zrážkachčastice. Ale ako to, že ten istý protón z rôznych uhlov pohľadu vyzerá, že pozostáva z inej sady častíc? Faktom je, že protón nie sú len tri kvarky dohromady. Medzi kvarkami je gluónové silové pole. Vo všeobecnosti je silové pole (ako napríklad gravitačné alebo elektrické pole) druh hmotnej „entity“, ktorá preniká priestorom a umožňuje časticiam pôsobiť na seba silou. V kvantovej teórii pole tiež pozostáva z častíc, aj keď špeciálnych - virtuálnych. Počet týchto častíc nie je pevne stanovený, neustále „pučia“ z kvarkov a sú pohlcované inými kvarkami.

odpočívajúci Protón možno skutočne považovať za tri kvarky, medzi ktorými preskakujú gluóny. Ak sa však na ten istý protón pozrieme z iného vzťažného rámca, akoby z okna okoloidúceho „relativistického vlaku“, uvidíme úplne iný obraz. Tie virtuálne gluóny, ktoré zlepili kvarky dohromady, sa budú zdať menej virtuálne, „skutočnejšie“ častice. Samozrejme, stále sa rodia a pohlcujú kvarky, no zároveň nejaký čas žijú samy a lietajú vedľa kvarkov ako skutočné častice. To, čo v jednej referenčnej sústave vyzerá ako jednoduché silové pole, sa v inej sústave mení na prúd častíc! Všimnite si, že sa nedotýkame samotného protónu, ale iba sa naň pozeráme z iného referenčného rámca.

Ďalej viac. Čím je rýchlosť nášho „relativistického vlaku“ bližšie k rýchlosti svetla, tým úžasnejší obraz vnútri protónu uvidíme. Ako sa blížime k rýchlosti svetla, všimneme si, že vo vnútri protónu je stále viac a viac gluónov. Navyše sa niekedy rozdelia na páry kvark-antikvark, ktoré tiež lietajú vedľa seba a sú tiež považované za partóny. Výsledkom je, že ultrarelativistický protón, teda protón pohybujúci sa voči nám rýchlosťou veľmi blízkou rýchlosti svetla, sa javí ako vzájomne sa prenikajúce oblaky kvarkov, antikvarkov a gluónov, ktoré letia spolu a zdá sa, že sa navzájom podporujú (obr. 3 ).

Čitateľ znalý teórie relativity môže mať obavy. Celá fyzika je založená na princípe, že každý proces prebieha rovnakým spôsobom vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách. A tu sa ukazuje, že zloženie protónu závisí od vzťažnej sústavy, z ktorej ho pozorujeme?!

Áno, je to tak, ale v žiadnom prípade to neporušuje princíp relativity. Výsledky fyzikálnych procesov – napríklad, ktoré častice a koľko sa ich zrodí v dôsledku kolízie – sa ukážu ako invariantné, hoci zloženie protónu závisí od referenčného rámca.

Táto situácia, na prvý pohľad nezvyčajná, ale spĺňajúca všetky fyzikálne zákony, je schematicky znázornená na obrázku 4. Ten ukazuje, ako vyzerá zrážka dvoch vysokoenergetických protónov v rôznych referenčných sústavách: v pokojovej sústave jedného protónu, v ťažisko rámca, v kľudovom rámci iného protónu . Interakcia medzi protónmi sa uskutočňuje prostredníctvom kaskády štiepiacich gluónov, ale iba v jednom prípade sa táto kaskáda považuje za „vnútro“ jedného protónu, v druhom prípade je súčasťou iného protónu a v treťom prípade je to len objekt vymenený medzi dvoma protónmi. Táto kaskáda existuje, je skutočná, ale ktorej časti procesu by sa mala pripísať, závisí od referenčného rámca.

3D portrét protónu

Všetky výsledky, ktoré sme práve opísali, boli založené na experimentoch vykonaných už dávno - v 60. a 70. rokoch minulého storočia. Zdalo by sa, že odvtedy by už malo byť všetko preštudované a všetky otázky by mali nájsť odpovede. Ale nie - zariadenie protónu je stále jednou z najzaujímavejších tém v časticovej fyzike. Navyše v posledných rokoch sa oň opäť zvýšil záujem, pretože fyzici prišli na to, ako získať „trojrozmerný“ portrét rýchlo sa pohybujúceho protónu, čo sa ukázalo byť oveľa komplikovanejšie ako portrét stacionárneho protónu.

Klasické experimenty so zrážkou protónov vypovedajú len o počte partónov a ich rozdelení energie. V takýchto experimentoch sa partóny zúčastňujú ako nezávislé objekty, čo znamená, že z nich nie je možné zistiť, ako sú partóny navzájom umiestnené, ako presne tvoria protón. Dá sa povedať, že dlho mali fyzici k dispozícii len „jednorozmerný“ portrét rýchlo letiaceho protónu.

Na vytvorenie skutočného, ​​trojrozmerného portrétu protónu a na zistenie rozloženia partónov vo vesmíre sú potrebné oveľa jemnejšie experimenty, než aké boli možné pred 40 rokmi. Fyzici sa naučili vykonávať takéto experimenty pomerne nedávno, doslova v poslednom desaťročí. Uvedomili si, že medzi obrovským množstvom rôznych reakcií, ktoré sa vyskytujú, keď sa elektrón zrazí s protónom, existuje jedna špeciálna reakcia - hlboký virtuálny Comptonov rozptyl, - ktorý bude vedieť vypovedať o trojrozmernej štruktúre protónu.

Vo všeobecnosti je Comptonov rozptyl alebo Comptonov efekt elastická zrážka fotónu s nejakou časticou, ako je napríklad protón. Vyzerá to takto: priletí fotón, je pohltený protónom, ktorý nakrátko prejde do excitovaného stavu a potom sa vráti do pôvodného stavu, pričom v určitom smere vyžaruje fotón.

Comptonov rozptyl obyčajných svetelných fotónov nevedie k ničomu zaujímavému – ide o jednoduchý odraz svetla od protónu. Na to, aby sme „vstúpili do hry“ vnútornej štruktúry protónu a „cítili“ rozloženie kvarkov, je potrebné použiť fotóny s veľmi vysokou energiou – miliardkrát viac ako v bežnom svetle. A práve takéto fotóny – však virtuálne – ľahko generuje dopadajúci elektrón. Ak teraz skombinujeme jedno s druhým, dostaneme hlboko virtuálny Comptonov rozptyl (obr. 5).

Hlavnou črtou tejto reakcie je, že neničí protón. Dopadnutý fotón protón nielen zasiahne, ale akoby ho opatrne nahmatá a potom odletí. Smer, ktorým odletí a akú časť energie mu protón odoberie, závisí od štruktúry protónu, od vzájomnej polohy partónov v ňom. To je dôvod, prečo štúdiom tohto procesu je možné obnoviť trojrozmerný vzhľad protónu, akoby „vyrobil jeho sochu“.

Je pravda, že pre experimentálneho fyzika je to veľmi ťažké. Požadovaný proces sa vyskytuje pomerne zriedkavo a je ťažké ho zaregistrovať. Prvé experimentálne údaje o tejto reakcii boli získané až v roku 2001 na urýchľovači HERA v nemeckom akcelerátorovom komplexe DESY v Hamburgu; nový rad údajov teraz spracovávajú experimentátori. Už dnes však teoretici na základe prvých údajov kreslia trojrozmerné rozloženie kvarkov a gluónov v protóne. Z experimentu sa napokon začala „objavovať“ fyzikálna veličina, o ktorej si fyzici stavali iba predpoklady.

Sú v tejto oblasti nejaké nečakané objavy? Je pravdepodobné, že áno. Pre ilustráciu si povedzme, že v novembri 2008 sa objavil zaujímavý teoretický článok, ktorý tvrdí, že rýchlo letiaci protón by nemal vyzerať ako plochý disk, ale ako bikonkávna šošovka. Stáva sa to preto, že partóny sediace v centrálnej oblasti protónu sú viac stlačené v pozdĺžnom smere ako partóny sediace na okrajoch. Bolo by veľmi zaujímavé otestovať tieto teoretické predpovede experimentálne!

Prečo je toto všetko pre fyzikov zaujímavé?

Prečo fyzici potrebujú presne vedieť, ako je hmota rozložená vo vnútri protónov a neutrónov?

Po prvé, vyžaduje si to samotná logika vývoja fyziky. Na svete existuje veľa úžasne zložitých systémov, s ktorými si moderná teoretická fyzika zatiaľ úplne nevie poradiť. Hadróny sú jedným z takýchto systémov. Pochopením štruktúry hadrónov zdokonaľujeme schopnosti teoretickej fyziky, ktorá sa môže ukázať ako univerzálna a možno pomôže v niečom úplne inom, napríklad pri štúdiu supravodičov alebo iných materiálov s neobvyklými vlastnosťami.

Po druhé, jadrová fyzika má okamžitý prínos. Napriek takmer storočnej histórii skúmania atómových jadier teoretici stále nepoznajú presný zákon o interakcii protónov a neutrónov.

Tento zákon musia sčasti uhádnuť na základe experimentálnych údajov a sčasti ho zostrojiť na základe poznatkov o štruktúre nukleónov. Tu pomôžu nové údaje o trojrozmernej štruktúre nukleónov.

Po tretie, pred niekoľkými rokmi sa fyzikom nepodarilo získať nič menšie ako nový súhrnný stav hmoty – kvarkovo-gluónovú plazmu. V tomto stave kvarky nesedia vo vnútri jednotlivých protónov a neutrónov, ale voľne chodia po celom zväzku jadrovej hmoty. Dá sa to dosiahnuť napríklad takto: ťažké jadrá sa v urýchľovači urýchľujú na rýchlosť veľmi blízku rýchlosti svetla a následne sa čelne zrazia. Pri tejto zrážke na veľmi krátky čas vznikne teplota biliónov stupňov, ktorá roztaví jadrá na kvark-gluónovú plazmu. Ukazuje sa teda, že teoretické výpočty tohto jadrového tavenia vyžadujú dobrú znalosť trojrozmernej štruktúry nukleónov.

Napokon, tieto údaje sú pre astrofyziku veľmi potrebné. Keď ťažké hviezdy na konci svojho života vybuchnú, často zanechajú extrémne kompaktné objekty – neutrónové a možno aj kvarkové hviezdy. Jadro týchto hviezd pozostáva výlučne z neutrónov a možno aj zo studenej kvark-gluónovej plazmy. Takéto hviezdy sú už dávno objavené, ale čo sa deje v ich vnútri, možno len hádať. Takže dobré pochopenie rozdelenia kvarkov môže viesť k pokroku aj v astrofyzike.

• Preklad

V strede každého atómu je jadro, malá zbierka častíc nazývaných protóny a neutróny. V tomto článku budeme študovať podstatu protónov a neutrónov, ktoré pozostávajú z ešte menších častíc – kvarkov, gluónov a antikvarkov. (Gluóny, podobne ako fotóny, sú ich vlastné antičastice.) Kvarky a gluóny, pokiaľ vieme, môžu byť skutočne elementárne (nedeliteľné a nezložené z niečoho menšieho). Ale k nim neskôr.

Prekvapivo, protóny a neutróny majú takmer rovnakú hmotnosť - až do percenta:

• 0,93827 GeV/c 2 pre protón,
• 0,93957 GeV/c 2 pre neutrón.

To je kľúč k ich povahe – sú si v skutočnosti veľmi podobní. Áno, je medzi nimi jeden zjavný rozdiel: protón má kladný elektrický náboj, zatiaľ čo neutrón nemá náboj (je neutrálny, odtiaľ jeho názov). V súlade s tým elektrické sily pôsobia na prvý, ale nie na druhý. Na prvý pohľad sa zdá, že toto rozlíšenie je veľmi dôležité! Ale v skutočnosti to tak nie je. Vo všetkých ostatných významoch sú protón a neutrón takmer dvojčatá. Majú identické nielen hmoty, ale aj vnútornú štruktúru.

Pretože sú si veľmi podobné a keďže tieto častice tvoria jadrá, protóny a neutróny sa často označujú ako nukleóny.

Protóny boli identifikované a opísané okolo roku 1920 (hoci boli objavené skôr; jadro atómu vodíka je len jeden protón) a neutróny sa našli okolo roku 1933. Skutočnosť, že protóny a neutróny sú si navzájom podobné, bola pochopená takmer okamžite. Ale skutočnosť, že majú merateľnú veľkosť porovnateľnú s veľkosťou jadra (asi 100 000-krát menšia ako polomer atómu), nebola známa až do roku 1954. To, že sa skladajú z kvarkov, antikvarkov a gluónov, sa postupne pochopilo od polovice 60. do polovice 70. rokov 20. storočia. Koncom 70. a začiatkom 80. rokov sa naše chápanie protónov, neutrónov a toho, z čoho sú vyrobené, do značnej miery ustálilo a odvtedy zostalo nezmenené.

Nukleóny je oveľa ťažšie opísať ako atómy alebo jadrá. To neznamená, že atómy sú v princípe jednoduché, ale prinajmenšom možno bez váhania povedať, že atóm hélia pozostáva z dvoch elektrónov obiehajúcich okolo malého jadra hélia; a jadro hélia je pomerne jednoduchá skupina dvoch neutrónov a dvoch protónov. Ale s nukleónmi nie je všetko také jednoduché. Už som písal v článku „Čo je to protón a čo má vo vnútri?“, že atóm je ako elegantný menuet a nukleón je ako divoká párty.

Zdá sa, že zložitosť protónu a neutrónu je skutočná a nevyplýva z neúplných fyzikálnych znalostí. Máme rovnice používané na opis kvarkov, antikvarkov a gluónov a silných jadrových síl, ktoré medzi nimi prebiehajú. Tieto rovnice sa nazývajú QCD, z "kvantovej chromodynamiky". Presnosť rovníc možno testovať rôznymi spôsobmi, vrátane merania počtu častíc, ktoré sa objavia na veľkom hadrónovom urýchľovači. Zapojením rovníc QCD do počítača a spustením výpočtov vlastností protónov a neutrónov a iných podobných častíc (spoločne nazývaných "hadróny") získame predpovede vlastností týchto častíc, ktoré sa dobre približujú pozorovaniam uskutočneným v reálnom svete. . Preto máme dôvod domnievať sa, že rovnice QCD neklamú a že naše znalosti o protóne a neutróne sú založené na správnych rovniciach. Ale len mať správne rovnice nestačí, pretože:

• Jednoduché rovnice môžu mať veľmi zložité riešenia,
• Niekedy nie je možné opísať zložité riešenia jednoduchým spôsobom.

Pokiaľ vieme, je to presne prípad nukleónov: sú to zložité riešenia jednoduchých rovníc QCD a nie je možné ich opísať niekoľkými slovami alebo obrázkami.

Kvôli prirodzenej zložitosti nukleónov si vy, čitateľ, budete musieť vybrať: koľko chcete vedieť o opísanej zložitosti? Bez ohľadu na to, ako ďaleko zájdete, s najväčšou pravdepodobnosťou nebudete spokojní: čím viac sa naučíte, tým bude téma jasnejšia, ale konečná odpoveď zostane rovnaká - protón a neutrón sú veľmi zložité. Môžem vám ponúknuť tri úrovne porozumenia s pribúdajúcimi detailmi; môžete zastaviť po ktorejkoľvek úrovni a prejsť na iné témy, alebo sa môžete ponoriť do poslednej. Každá úroveň vyvoláva otázky, na ktoré môžem čiastočne odpovedať v ďalšej, ale nové odpovede vyvolávajú nové otázky. Na záver – ako to robím pri odborných diskusiách s kolegami a pokročilými študentmi – vás môžem odkázať len na údaje z reálnych experimentov, rôznych vplyvných teoretických argumentov a počítačových simulácií.

Prvá úroveň porozumenia

Z čoho sa skladajú protóny a neutróny?

Ryža. 1: príliš zjednodušená verzia protónov, pozostávajúca len z dvoch up kvarkov a jedného down, a neutrónov, ktorá pozostáva len z dvoch down kvarkov a jedného up kvarku

Pre zjednodušenie mnoho kníh, článkov a webových stránok uvádza, že protóny sa skladajú z troch kvarkov (dva hore a jeden dole) a kreslia niečo ako obrazec. 1. Neutrón je rovnaký, pozostáva len z jedného up a dvoch down kvarkov. Tento jednoduchý obrázok ilustruje to, čomu verili niektorí vedci, väčšinou v 60. rokoch. Čoskoro sa však ukázalo, že tento uhol pohľadu bol príliš zjednodušený do tej miery, že už nie je správny.

Zo sofistikovanejších zdrojov informácií sa dozviete, že protóny sa skladajú z troch kvarkov (dva hore a jeden dole), ktoré držia pohromade gluóny – a obrázok podobný obr. 2, kde sú gluóny nakreslené ako pružiny alebo struny, ktoré držia kvarky. Neutróny sú rovnaké, len s jedným up kvarkom a dvoma down kvarkom.

Ryža. 2: zlepšenie Obr. 1 z dôvodu zdôraznenia dôležitej úlohy silnej jadrovej sily, ktorá kvarky udržiava v protóne

Nie je to taký zlý spôsob, ako opísať nukleóny, pretože zdôrazňuje dôležitú úlohu silnej jadrovej sily, ktorá drží kvarky v protóne na úkor gluónov (rovnako ako fotón, častica, ktorá tvorí svetlo, je spojená s elektromagnetickým sila). Ale to je tiež mätúce, pretože to v skutočnosti nevysvetľuje, čo sú gluóny alebo čo robia.

Existujú dôvody, prečo pokračovať a popísať veci tak, ako som to urobil v: protón sa skladá z troch kvarkov (dva hore a jeden dole), zväzku gluónov a hora kvark-antikvarkových párov (väčšinou hore a dole kvarky). , ale je tam aj pár čudných) . Všetky lietajú tam a späť veľmi vysokou rýchlosťou (približujúcou sa rýchlosti svetla); celý tento súbor drží pohromade silná jadrová sila. Ukázal som to na obr. 3. Neutróny sú opäť rovnaké, ale s jedným up a dvoma down kvarkami; kvark, ktorý zmenil vlastníctvo, je označený šípkou.

Ryža. 3: realistickejšie, aj keď stále nie ideálne zobrazenie protónov a neutrónov

Tieto kvarky, antikvarky a gluóny sa nielen ženú tam a späť, ale tiež sa navzájom zrážajú a menia sa na seba procesmi, ako je napríklad anihilácia častíc (pri ktorej sa kvark a antikvark rovnakého typu premenia na dva gluóny alebo naopak versa) alebo absorpcia a emisia gluónu (pri ktorej sa kvark a gluón môžu zraziť a vytvoriť kvark a dva gluóny alebo naopak).

Čo majú tieto tri popisy spoločné:

• Dva up kvarky a down kvark (plus niečo iné) pre protón.
• Jeden up kvark a dva down kvarky (plus niečo iné) pre neutrón.
• „Niečo iné“ pre neutróny je to isté ako „niečo iné“ pre protóny. To znamená, že nukleóny majú „niečo iné“ rovnaké.
• Malý rozdiel v hmotnosti medzi protónom a neutrónom je spôsobený rozdielom v hmotnosti kvarku down a kvarku up.

A keďže:

• pre up kvarky je elektrický náboj 2/3 e (kde e je náboj protónu, -e je náboj elektrónu),
• down kvarky majú náboj -1/3e,
• gluóny majú náboj 0,
• akýkoľvek kvark a jeho zodpovedajúci antikvark majú celkový náboj 0 (napríklad kvark anti-down má náboj +1/3e, takže kvark down a antikvark down budú mať náboj –1/3e +1/ 3 e = 0),

Každý údaj priraďuje elektrický náboj protónu dvom up a jednému down kvarku a „niečo iné“ pridá k náboju 0. Podobne neutrón má nulový náboj kvôli jednému up a dvom down kvarkom:

• celkový elektrický náboj protónu 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• celkový elektrický náboj neutrónu je 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

Tieto popisy sa líšia takto:

• koľko „niečoho iného“ vo vnútri nukleónu,
• čo to tam robí
• odkiaľ pochádza hmotnosť a hmotnostná energia (E = mc 2 , energia, ktorá je tam prítomná, aj keď je častica v pokoji) nukleónu.

Keďže väčšina hmotnosti atómu a teda aj všetkej bežnej hmoty je obsiahnutá v protónoch a neutrónoch, posledný bod je mimoriadne dôležitý pre správne pochopenie našej povahy.

Ryža. 1 hovorí, že kvarky v skutočnosti predstavujú tretinu nukleónu – podobne ako protón alebo neutrón predstavuje štvrtinu jadra hélia alebo 1/12 jadra uhlíka. Ak by bol tento obraz pravdivý, kvarky v nukleóne by sa pohybovali relatívne pomaly (rýchlosťou oveľa nižšou ako rýchlosť svetla) s relatívne slabými silami pôsobiacimi medzi nimi (aj keď s nejakou silnou silou, ktorá by ich držala na mieste). Hmotnosť kvarku hore a dole by potom bola rádovo 0,3 GeV/c 2 , čo je asi tretina hmotnosti protónu. Ale toto je jednoduchý obraz a myšlienky, ktoré vnucuje, sú jednoducho nesprávne.

Ryža. 3. dáva úplne inú predstavu o protóne ako kotlíku častíc, ktoré ním prechádzajú rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Tieto častice sa navzájom zrážajú a pri týchto zrážkach niektoré z nich anihilujú a iné vznikajú na ich mieste. Gluóny nemajú žiadnu hmotnosť, hmotnosti horných kvarkov sú približne 0,004 GeV/c 2 a hmotnosti nižších kvarkov sú približne 0,008 GeV/c 2 – stokrát menej ako protón. Odkiaľ pochádza hmotnostná energia protónu, otázka je zložitá: časť pochádza z hmotnostnej energie kvarkov a antikvarkov, časť pochádza z energie pohybu kvarkov, antikvarkov a gluónov a časť (možno pozitívna, možno negatívny) z energie uloženej v silnej jadrovej interakcii, ktorá drží pohromade kvarky, antikvarky a gluóny.

V istom zmysle Obr. 2 sa snaží odstrániť rozdiel medzi obr. 1 a obr. 3. Zjednodušuje ryžu. 3, odstránením mnohých párov kvark-antikvark, ktoré možno v zásade nazvať efemérne, pretože neustále vznikajú a zanikajú a nie sú potrebné. Ale vyvoláva to dojem, že gluóny v nukleónoch sú priamou súčasťou silnej jadrovej sily, ktorá drží protóny. A nevysvetľuje, odkiaľ pochádza hmotnosť protónu.

Na obr. 1 má okrem úzkeho rámca protónu a neutrónu ďalšiu nevýhodu. Nevysvetľuje niektoré vlastnosti iných hadrónov, ako je pion a mezón rho. Rovnaké problémy sú na obr. 2.

Tieto obmedzenia viedli k tomu, že dávam svojim študentom a na mojej webovej stránke obrázok z obr. 3. Chcem vás ale upozorniť, že má aj veľa obmedzení, ktoré zvážim neskôr.

Treba poznamenať, že extrémna zložitosť štruktúry, ktorá je naznačená na obr. 3 možno očakávať od objektu, ktorý drží pohromade taká silná sila, ako je silná jadrová sila. A ešte jedna vec: tri kvarky (dva hore a jeden dole pre protón), ktoré nie sú súčasťou skupiny párov kvark-antikvark, sa často nazývajú „valenčné kvarky“ a páry kvark-antikvark sa nazývajú „more of ​kvarkové páry." Takýto jazyk je v mnohých prípadoch technicky vhodný. Vytvára to však falošný dojem, že ak by ste sa mohli pozrieť do protónu a pozrieť sa na konkrétny kvark, mohli by ste okamžite povedať, či je súčasťou mora alebo valencie. To sa nedá, jednoducho taký spôsob neexistuje.

Hmotnosť protónov a hmotnosť neutrónov

Keďže hmotnosti protónu a neutrónu sú veľmi podobné a keďže protón a neutrón sa líšia iba nahradením up kvarku down kvarkom, zdá sa pravdepodobné, že ich hmotnosti sú rovnaké a pochádzajú z rovnakého zdroja. a ich rozdiel spočíva v miernom rozdiele medzi kvarkom up a down. Ale tri vyššie uvedené obrázky ukazujú, že existujú tri veľmi odlišné pohľady na pôvod protónovej hmoty.

Ryža. 1 hovorí, že kvarky up a down jednoducho tvoria 1/3 hmotnosti protónu a neutrónu: asi 0,313 GeV/c 2 alebo kvôli energii potrebnej na udržanie kvarkov v protóne. A keďže rozdiel medzi hmotnosťou protónu a neutrónu je zlomok percenta, musí byť aj rozdiel medzi hmotnosťami kvarku up a down zlomok percenta.

Ryža. 2 je menej prehľadný. Aký zlomok hmotnosti protónu existuje v dôsledku gluónov? Z obrázku však v zásade vyplýva, že väčšina hmotnosti protónu stále pochádza z hmotnosti kvarkov, ako na obr. 1.

Ryža. 3 odráža jemnejší prístup k tomu, ako hmotnosť protónu skutočne vzniká (čo môžeme overiť priamo počítačovými výpočtami protónu a nie priamo pomocou iných matematických metód). Veľmi sa líši od myšlienok prezentovaných na obr. 1 a 2 a ukazuje sa, že to nie je také jednoduché.

Aby sme pochopili, ako to funguje, musíme uvažovať nie z hľadiska hmotnosti protónu m, ale z hľadiska jeho hmotnostnej energie E = mc 2 , energie spojenej s hmotnosťou. Koncepčne správna otázka nie je „odkiaľ pochádza protónová hmotnosť m“, potom môžete vypočítať E vynásobením m x c 2 , ale naopak: „odkiaľ pochádza energia protónovej hmotnosti E“, potom hmotnosť m môžete vypočítať tak, že E vydelíte c 2 .

Je užitočné klasifikovať príspevky k energii protónovej hmoty do troch skupín:

A) Energia hmoty (pokojová energia) kvarkov a antikvarkov v nej obsiahnutých (gluóny, častice bez hmotnosti, neprispievajú).
B) Energia pohybu (kinetická energia) kvarkov, antikvarkov a gluónov.
C) Energia interakcie (väzbová energia alebo potenciálna energia) uložená v silnej jadrovej interakcii (presnejšie v gluónových poliach), ktorá drží protón.

Ryža. 3 hovorí, že častice vo vnútri protónu sa pohybujú vysokou rýchlosťou a že je plný bezhmotných gluónov, takže príspevok B) je väčší ako A). Zvyčajne sú vo väčšine fyzikálnych systémov B) a C) porovnateľné, zatiaľ čo C) je často záporné. Takže hmotnostná energia protónu (a neutrónu) je väčšinou odvodená z kombinácie B) a C), pričom A) prispieva malým zlomkom. Preto sa hmotnosti protónu a neutrónu objavujú najmä nie kvôli hmotnostiam častíc v nich obsiahnutých, ale kvôli energiám pohybu týchto častíc a energii ich interakcie spojenej s gluónovými poľami, ktoré vytvárajú sily, ktoré držia. protón. Vo väčšine ostatných systémov, ktoré poznáme, je rovnováha energií rozložená inak. Napríklad v atómoch a v slnečnej sústave A) dominuje, zatiaľ čo B) a C) sa získajú oveľa menej a sú porovnateľné vo veľkosti.

Stručne povedané, poukazujeme na to, že:

• Ryža. 1 naznačuje, že hmotnostná energia protónu pochádza z príspevku A).
• Ryža. 2 naznačuje, že oba príspevky A) aj C) sú dôležité a B) predstavuje malý príspevok.
• Ryža. 3 naznačuje, že B) a C) sú dôležité, zatiaľ čo príspevok A) je zanedbateľný.

Vieme, že ryža je správna. 3. Aby sme to otestovali, môžeme spustiť počítačové simulácie, a čo je dôležitejšie, vďaka rôznym presvedčivým teoretickým argumentom vieme, že ak by hmotnosti kvarkov up a down boli nulové (a všetko ostatné zostalo tak, ako je), hmotnosť protón sa prakticky zmení. Hmotnosť kvarkov teda zjavne nemôže významne prispieť k hmotnosti protónu.

Ak obr. 3 neleží, hmotnosti kvarku a antikvarku sú veľmi malé. Akí v skutočnosti sú? Hmotnosť top kvarku (rovnako ako antikvarku) nepresahuje 0,005 GeV/c 2, čo je oveľa menej ako 0,313 GeV/c 2, čo vyplýva z obr. 1. (Hmotnosť up kvarku sa ťažko meria a mení sa v dôsledku jemných efektov, takže môže byť oveľa menšia ako 0,005 GeV/c2). Hmotnosť spodného kvarku je približne o 0,004 GeV/c 2 väčšia ako hmotnosť horného kvarku. To znamená, že hmotnosť žiadneho kvarku alebo antikvarku nepresahuje jedno percento hmotnosti protónu.

Všimnite si, že to znamená (na rozdiel od obr. 1), že pomer hmotnosti kvarku down k kvarku up sa nepribližuje k jednotke! Hmotnosť kvarku down je najmenej dvakrát väčšia ako hmotnosť kvarku up. Dôvod, prečo sú hmotnosti neutrónu a protónu také podobné, nespočíva v tom, že hmotnosti kvarkov up a down sú podobné, ale v tom, že hmotnosti kvarkov up a down sú veľmi malé – a rozdiel medzi nimi je malý, relatívny. k hmotnostiam protónu a neutrónu. Pripomeňme si, že na premenu protónu na neutrón stačí nahradiť jeden z jeho up kvarkov down kvarkom (obrázok 3). Táto zmena stačí na to, aby bol neutrón o niečo ťažší ako protón a zmenil sa jeho náboj z +e na 0.

Mimochodom, skutočnosť, že rôzne častice vo vnútri protónu sa navzájom zrážajú a neustále sa objavujú a miznú, nemá vplyv na veci, o ktorých diskutujeme - energia sa zachováva pri akejkoľvek zrážke. Energia hmoty a energia pohybu kvarkov a gluónov sa môže meniť, ako aj energia ich interakcie, no celková energia protónu sa nemení, hoci všetko v ňom sa neustále mení. Takže hmotnosť protónu zostáva konštantná, napriek jeho vnútornému víru.

V tomto bode sa môžete zastaviť a absorbovať prijaté informácie. Úžasný! Prakticky všetka hmota obsiahnutá v bežnej hmote pochádza z hmotnosti nukleónov v atómoch. A väčšina tejto hmoty pochádza z chaosu, ktorý je vlastný protónu a neutrónu – z energie pohybu kvarkov, gluónov a antikvarkov v nukleónoch a z energie práce silných jadrových interakcií, ktoré držia nukleón v celom jeho stave. Áno: naša planéta, naše telá, náš dych sú výsledkom takého tichého a donedávna nepredstaviteľného pandemónia.