Instrucțiuni
Protonul este pozitiv cu o masă de 1.836 ori mai mare decât masa. Energia electrică coincide în modul cu încărcarea unui electron, ceea ce înseamnă că sarcina unui proton este 1,6 * 10 ^ (-19) Coulomb. Nucleii diferiți atomi conțin numere diferite. De exemplu, în nucleu există un singur atom de hidrogen și șaptezeci și nouă în nucleul de aur. Număr protonii în sâmbure coincide cu numărul ordinal al acestui element din tabelul D.I. Mendeleev. Prin urmare, pentru a determina numărul protonii în kernel, trebuie să luați tabelul periodic, să găsiți elementul necesar în el. Întregul de mai sus este numărul ordinal al elementului - acesta este numărul protonii în miez. Exemplul 1. Să fie necesar să se determine numărul protonii în nucleul unui atom de poloniu. Găsiți substanța chimică în tabelul periodic, acesta este situat la numărul 84, ceea ce înseamnă că în nucleul său sunt 84 de protoni.
Interesant că cantitate protonii în nucleu coincide cu numărul de electroni care se deplasează în jurul nucleului. Adică numărul de electroni ai unui element este determinat în același mod cu numărul protonii - numărul ordinal al elementului. Exemplul 2. Dacă poloniul este 84, atunci are 84 de protoni (în nucleu) și același număr - 84 electroni.
Un neutron este o particulă neîncărcată cu o masă de 1839 ori mai mare decât masa unui electron. Pe lângă numărul ordinal, în tabelul periodic al elementelor chimice pentru fiecare substanță, este indicat un număr suplimentar, care, dacă este rotunjit, arată totalul cantitate particule ( protonii și neutronii) în nucleul atomic. Acest număr se numește număr de masă. Pentru a determina cantitatea neutronii în sâmbure trebuie scăzute din numărul de masă cantitate protonii... Exemplu 3. Cantitate protonii în poloniu - 84. Numărul său de masă este 210, ceea ce înseamnă că pentru a determina numărul neutronii găsiți diferența dintre numărul de masă și numărul ordinal: 210 - 84 \u003d 126.
Un atom dintr-un element chimic este format dintr-un nucleu atomic și electroni. Nucleul atomic include două tipuri de particule - protoni și neutroni. Aproape toată masa unui atom este concentrată în nucleu, deoarece protonii și neutronii sunt mult mai grei decât electronii.
Vei avea nevoie
- element atomic, izotopi
Instrucțiuni
Spre deosebire de protoni, neutronii nu au nicio sarcină electrică, adică sunt zero. Prin urmare, cunoscând numărul atomic al unui element, este imposibil să spunem fără echivoc cât de mult neutronii este conținut în miezul său. De exemplu, nucleul unui atom conține întotdeauna 6 protoni, dar pot exista 6 și 7 protoni în el. Varietăți de nuclee ale unui element chimic cu cantități diferite neutronii în nucleul cu izotopi ai acestui element. Izotopii pot fi atât naturali cât și artificiali.
Nucleii atomilor sunt desemnați prin simbolul literei unui element chimic din tabelul periodic. În dreapta simbolului, există două numere în partea de sus și de jos. Superior număr A este numărul de masă al atomului. A \u003d Z + N, unde Z este sarcina nucleară (), iar N este numărul de neutroni. Numărul de jos este Z - încărcarea nucleului. Această înregistrare oferă informații despre numărul de neutroni din nucleu. Evident, este egal cu N \u003d A-Z.
Pentru diferite elemente chimice, numărul A se modifică, care poate fi văzut în înregistrarea acestui izotop. Anumiți izotopi au originea lor inițială. De exemplu, un nucleu obișnuit nu are neutroni și are un proton. Izotopul de hidrogen deuteriu are un neutron (A \u003d 2, numărul 2 mai sus, 1 mai jos), iar izotopul tritiu are doi neutroni (A \u003d 3, numărul 3 mai sus, 1 mai jos).
Dependența numărului de neutroni de numărul protonilor este reflectată în așa-numita diagramă N-Z a nucleelor \u200b\u200batomice. Stabilitatea nucleelor \u200b\u200bdepinde de raportul dintre numărul neutronilor și numărul protonilor. Nucleii sunt mai stabili când N / Z \u003d 1, adică atunci când numărul de neutroni și protoni este egal. Odată cu creșterea numărului de masă, regiunea de stabilitate trece la valorile N / Z\u003e 1, atingând o valoare N / Z ~ 1,5 pentru cei mai grei nuclei.
Videoclipuri similare
surse:
- Structura nucleului atomic în 2019
- cum să găsești numărul de neutroni în 2019
Pentru a găsi cantitatea protonii în atom, determinați locul său în tabelul periodic. Găsiți numărul său de serie în tabelul periodic. Acesta va fi egal cu numărul protonilor din nucleul atomic. Dacă investighezi un izotop, uită-te la câteva numere care descriu proprietățile sale, cu atât mai mic număr va fi egal cu numărul de protoni. În cazul în care se cunoaște încărcarea nucleului atomic, puteți afla numărul de protoni împărțind valoarea acestuia la sarcina unui proton.
Vei avea nevoie
- Pentru a găsi numărul de protoni, aflați valoarea încărcării unui proton sau electron, luați tabelul izotopului, tabelul periodic.
Instrucțiuni
Determinarea numărului de protoni ai unui atom cunoscut. În cazul în care se știe ce atom este investigat, găsiți locația sa la. Determinați numărul acestuia în acest tabel găsind celula elementului corespunzător. În această celulă, găsiți numărul ordinal al elementului care corespunde atomului studiat. Acest număr de serie va corespunde numărului de protoni din nucleul atomic.
Cum se găsește un izotop. Mulți atomi au izotopi care diferă în nuclee. De aceea, masa nucleului singur nu este suficientă pentru a determina fără echivoc nucleul atomic. Când se descrie un izotop, o pereche de numere este întotdeauna înregistrată înainte de a scrie denumirea chimică. Numărul superior arată masa atomului în unități de masă atomică, iar sarcina nucleului este mai mică. Fiecare unitate de încărcare nucleară dintr-o astfel de înregistrare corespunde unui proton. Astfel, numărul protonilor este egal cu cel mai mic număr din înregistrarea acestui izotop.
Cum să găsești protoni, știind sarcina nucleului.De multe ori un atom este încărcarea nucleului său. Pentru a determina numărul de protoni din el, este necesar să-l transformăm în pandantive (dacă este dat în multipli). Apoi împărțiți sarcina de bază în modul. Acest lucru se datorează faptului că, deoarece un atom este neutru din punct de vedere electric, numărul protonilor din el este egal cu numărul. Mai mult decât atât, sarcinile lor sunt egale ca mărime și opuse în semn (protonul are o sarcină pozitivă, electronul este negativ). Prin urmare, împarte sarcina nucleului atomic la numărul 1.6022 10 ^ (- 19) coulomb. Rezultatul este numărul de protoni. Deoarece măsurătorile încărcării unui atom nu sunt suficient de exacte, dacă diviziunea are ca rezultat un număr, rotunjiți-l la cel mai apropiat întreg.
Videoclipuri similare
surse:
- număr de protoni în 2019
Atomii sunt alcătuiți din particule subatomice - protoni, neutroni și electroni. Protonii sunt particule încărcate pozitiv, care sunt situate în centrul unui atom, în nucleul său. Numărul protonilor unui izotop poate fi calculat din numărul atomic al elementului chimic corespunzător.
Modelul atom
Un model cunoscut sub numele de model Bohr al atomului este utilizat pentru a descrie proprietățile atomului și structura acestuia. În conformitate cu acesta, structura atomului seamănă cu sistemul solar - un centru (miez) greu este în centru, iar particulele mai ușoare se deplasează într-o orbită în jurul său. Neutronii și protonii formează un nucleu încărcat pozitiv, în timp ce electronii încărcați negativ se mișcă în jurul centrului, fiind atrași de acesta de forțele electrostatice.
Un element este o substanță formată din atomi de un singur tip, este determinat de numărul de protoni din fiecare dintre ei. Un element i se dă propriul nume și simbol, cum ar fi hidrogenul (H) sau oxigenul (O). Proprietățile chimice ale unui element depind de numărul de electroni și, în consecință, de numărul protonilor conținuți în atomi. Caracteristicile chimice ale unui atom nu depind de numărul de neutroni, deoarece nu au nicio sarcină electrică. Cu toate acestea, numărul lor afectează stabilitatea nucleului, schimbând masa totală a atomului.
Izotopi și numărul de protoni
Izotopii sunt atomii elementelor individuale cu un număr diferit de neutroni. Acești atomi sunt identici din punct de vedere chimic, dar au mase diferite, diferă, de asemenea, în capacitatea lor de a emite radiații.
Numărul atomic (Z) este numărul ordinal al unui element chimic din sistemul periodic al Mendeleev, este determinat de numărul protonilor din nucleu. Fiecare atom este caracterizat prin numărul său atomic și numărul de masă (A), care este egal cu numărul total de protoni și neutroni din nucleu.
Un element poate avea atomi cu un număr diferit de neutroni, dar numărul protonilor rămâne același și este egal cu numărul electronilor unui atom neutru. Pentru a determina câți protoni sunt conținuți în nucleul unui izotop, este suficient să privim numărul său atomic. Numărul protonilor este egal cu numărul elementului chimic corespunzător din tabelul periodic al lui Mendeleev.
Exemple de
Un exemplu sunt izotopii de hidrogen. În natură
Ce este un neutron? Care sunt structura, proprietățile și funcțiile sale? Neutronii sunt cele mai mari dintre particulele care alcătuiesc atomii și sunt blocurile de construcție ale întregii materii.
Structura atomilor
Neutronii se află în nucleu - o regiune densă a atomului, umplută de asemenea cu protoni (particule încărcate pozitiv). Aceste două elemente sunt ținute împreună de o forță numită nucleară. Neutronii au o încărcare neutră. Sarcina pozitivă a protonului este asociată cu sarcina negativă a electronului pentru a crea un atom neutru. Deși neutronii dintr-un nucleu nu afectează încărcarea unui atom, ei au totuși multe proprietăți care afectează un atom, inclusiv nivelul de radioactivitate.
Neutroni, izotopi și radioactivitate
Particula care se află în nucleul unui atom este un neutron cu 0,2% mai mare decât un proton. Împreună constituie 99,99% din masa totală a aceluiași element, pot avea un număr diferit de neutroni. Când oamenii de știință se referă la masa atomică, ele înseamnă masa atomică medie. De exemplu, carbonul are de obicei 6 neutroni și 6 protoni cu masa atomică de 12, dar uneori apare cu o masă atomică de 13 (6 protoni și 7 neutroni). Carbonul cu numărul atomic 14 există și el, dar este rar. Deci, masa atomică pentru carbon este medie la 12.011.
Când atomii au un număr diferit de neutroni, ei sunt numiți izotopi. Oamenii de știință au găsit modalități de a adăuga aceste particule în nucleu pentru a crea izotopi mari. Acum, adăugarea de neutroni nu afectează încărcarea atomului, deoarece nu au nicio încărcare. Cu toate acestea, acestea cresc radioactivitatea atomului. Acest lucru poate duce la atomi foarte instabili care pot descărca niveluri ridicate de energie.
Care este miezul?
În chimie, nucleul este centrul încărcat pozitiv al atomului, care constă din protoni și neutroni. Cuvântul „sâmbure” provine din nucleul latin, care este o formă a cuvântului care înseamnă „nucă” sau „sâmbure”. Termenul a fost inventat în 1844 de Michael Faraday pentru a descrie centrul unui atom. Științele implicate în studiul nucleului, studiul compoziției și caracteristicilor acestuia, se numesc fizică nucleară și chimie nucleară.
Protonii și neutronii sunt ținuți împreună de o forță nucleară puternică. Electronii sunt atrași de nucleu, dar se mișcă atât de repede încât rotirea lor se realizează la o anumită distanță de centrul atomului. Sarcina nucleară cu un semn plus provine de la protoni, dar ce este un neutron? Este o particulă care nu are nicio sarcină electrică. Aproape toată greutatea unui atom este conținută în nucleu, deoarece protonii și neutronii au o masă mult mai mare decât electronii. Numărul de protoni dintr-un nucleu atomic determină identitatea sa ca element. Numărul de neutroni înseamnă care izotopul unui element este atomul.
Mărimea nucleului atomic
Nucleul este mult mai mic decât diametrul total al atomului, deoarece electronii pot fi îndepărtați de centru. Atomul de hidrogen este de 145.000 de ori nucleul său, iar atomul de uraniu este de 23.000 de ori centrul său. Nucleul de hidrogen este cel mai mic deoarece este format dintr-un singur proton.
Aranjarea protonilor și neutronilor în nucleu
Protonii și neutronii sunt de obicei descriși ca fiind compactați împreună și distribuiți uniform pe sfere. Totuși, aceasta este o simplificare a structurii actuale. Fiecare nucleon (proton sau neutron) poate ocupa un anumit nivel de energie și o gamă de locații. În timp ce nucleul poate fi sferic, el poate fi, de asemenea, în formă de pere, globular sau în formă de disc.
Nucleii protonilor și neutronilor sunt baroni, compuși din cei mai mici numiți quark. Forța gravitației are o rază foarte scurtă, astfel încât protonii și neutronii trebuie să fie foarte aproape unul de celălalt pentru a fi legați. Această atracție puternică depășește repulsia naturală a protonilor încărcați.
Proton, neutron și electron
Descoperirea neutronului (1932) a devenit un impuls puternic în dezvoltarea unei științe precum fizica nucleară. Fizicianul englez care a fost student la Rutherford ar trebui să fie recunoscător pentru acest lucru. Ce este un neutron? Este o particulă instabilă, care în stare liberă în doar 15 minute este capabilă să se descompună într-un proton, electron și neutrin, așa-numita particulă neutră fără masă.
Particulul și-a primit numele datorită faptului că nu are nicio încărcare electrică, este neutru. Neutronii sunt extrem de densi. Într-o stare izolată, un neutron va avea o masă de numai 1,67 - 10 - 27, iar dacă luați o linguriță dens ambalată cu neutroni, bucata de materie rezultată va cântări milioane de tone.
Numărul de protoni din nucleul unui element se numește număr atomic. Acest număr conferă fiecărui element propria identitate unică. În atomii unor elemente, de exemplu carbonul, numărul protonilor din nuclee este întotdeauna același, dar numărul neutronilor poate diferi. Un atom al unui element dat cu un anumit număr de neutroni în nucleul său se numește izotop.
Sunt neutronici unici?
Ce este un neutron? Aceasta este o particulă care, împreună cu un proton, intră, însă, uneori, ele pot exista de la sine. Când neutronii se află în afara nucleelor \u200b\u200batomilor, aceștia dobândesc proprietăți potențial periculoase. Când se mișcă cu viteză mare, produc radiații mortale. Așa-numitele bombe cu neutroni, cunoscute pentru capacitatea lor de a ucide oameni și animale, având un efect minim asupra structurilor fizice care nu trăiesc.
Neutronii sunt o parte foarte importantă a atomului. Densitatea ridicată a acestor particule, combinată cu viteza lor, le conferă o putere și energie distructivă extraordinare. În consecință, ei pot modifica sau chiar sfâșia nucleele atomilor care se lovesc. Deși neutronul are o sarcină electrică pură, neutră, este format din componente încărcate care se anulează reciproc în ceea ce privește încărcarea.
Un neutron dintr-un atom este o particulă minusculă. La fel ca protonii, sunt prea mici pentru a fi văzuți chiar și cu un microscop electronic, dar sunt acolo deoarece aceasta este singura modalitate de a explica comportamentul atomilor. Neutronii sunt foarte importanți pentru asigurarea stabilității unui atom, cu toate acestea, în afara centrului său atomic, nu pot exista timp îndelungat și se pot deteriora în medie în doar 885 de secunde (aproximativ 15 minute).
- Transfer
În centrul fiecărui atom se află un nucleu, o colecție minusculă de particule numite protoni și neutroni. În acest articol, vom studia natura protonilor și neutronilor, care sunt formate din particule chiar mai mici - quark, gluon și antiquarks. (Gluonii, ca și fotonii, sunt antiparticule pentru ei înșiși). Quark-urile și gluonii, din câte știm, pot fi cu adevărat elementare (indivizibile și nu sunt alcătuite din dimensiuni mai mici). Dar pentru ei mai târziu.
În mod surprinzător, protonii și neutronii au aproape aceeași masă - într-un procent:
- 0,93827 GeV / c 2 pentru un proton,
- 0,93957 GeV / c2 pentru un neutron.
Deoarece sunt atât de asemănătoare și pentru că nucleele sunt formate din aceste particule, protonii și neutronii sunt adesea numiți nucleoni.
Protonii au fost identificați și descriși în jurul anului 1920 (deși au fost descoperiți mai devreme; nucleul unui atom de hidrogen este doar un singur proton), iar neutronii au fost găsiți cândva în 1933. Faptul că protonii și neutronii sunt atât de similari unul cu celălalt s-a realizat aproape imediat. Dar faptul că au o dimensiune măsurabilă comparabilă cu dimensiunea unui nucleu (de aproximativ 100.000 de ori mai mic decât un atom în rază) nu a fost cunoscut până în 1954. Că sunt compuse din quarks, antiquarks și gluoni a fost realizat treptat de la mijlocul anilor '60 până la mijlocul anilor '70. Până la sfârșitul anilor 70 și începutul anilor 80, înțelegerea noastră despre protoni, neutroni și din ce sunt făcute a fost stabilită în mare parte și a rămas neschimbată de atunci.
Nucleonii sunt mult mai dificil de descris decât atomii sau nucleii. Nu înseamnă că, în principiu, atomii sunt simpli, dar cel puțin se poate spune fără ezitare că un atom de heliu este format din doi electroni în orbită în jurul unui nucleu minuscul de heliu; iar nucleul heliului este un grup destul de simplu de doi neutroni și doi protoni. Dar cu nucleonii, totul nu mai este atât de simplu. Am scris deja în articolul „Ce este un proton și ce are în interior?” Că un atom este ca un minuet elegant, iar un nucleon este ca o petrecere sălbatică.
Complexitățile protonului și neutronului par a fi reale și nu provin din cunoștințe fizice incomplete. Avem ecuații utilizate pentru a descrie quark-urile, anticarurile și gluonii și interacțiunile nucleare puternice care au loc între ele. Aceste ecuații se numesc QCD, de la „cromodinamica cuantică”. Precizia ecuațiilor poate fi testată în diferite moduri, inclusiv măsurarea numărului de particule care apar la colectorul de Hadroni Mari. Substituind ecuațiile QCD într-un computer și rulând calcule ale proprietăților protonilor și neutronilor și ale altor particule similare (numite colectiv „hadroni”), obținem predicții ale proprietăților acestor particule care apropie îndeaproape observațiile făcute în lumea reală. Prin urmare, avem motive să credem că ecuațiile QCD nu se află și că cunoștințele noastre despre proton și neutron se bazează pe ecuațiile corecte. Dar doar a avea ecuațiile corecte nu este suficient, pentru că:
- Ecuațiile simple pot avea soluții foarte complexe,
- Uneori este imposibil să descrii soluții complexe într-un mod simplu.
Din cauza complexității intrinseci a nucleonilor, tu, cititorul, va trebui să faci o alegere: cât de mult vrei să știi despre complexitatea descrisă? Indiferent cât de departe te duci, cel mai probabil nu îți va aduce satisfacție: cu cât înveți mai mult, cu atât subiectul va deveni mai clar, dar răspunsul final va rămâne același - protonul și neutronii sunt foarte complexi. Vă pot oferi trei niveluri de înțelegere, cu detalii din ce în ce mai mari; vă puteți opri după orice nivel și puteți trece la alte subiecte sau puteți să vă scufundați la ultimul. Pentru fiecare nivel, apar întrebări, răspunsurile la care pot da parțial în următorul, dar noi răspunsuri ridică noi întrebări. În cele din urmă - așa cum fac în discuțiile profesionale cu colegii și studenții avansați - nu vă pot referi decât la datele obținute în experimente reale, la diverse argumente teoretice influente și la simulări pe computer.
Primul nivel de înțelegere
Din ce fac protoni și neutroni?Fig. 1: o versiune simplificată de protoni, care constă din doar doi quark în sus și unul în jos și neutroni, constând din doar doi quark în jos și unul în sus
Pentru a simplifica problemele, multe cărți, articole și site-uri web indică faptul că protonii constau din trei quark-uri (două superioare și unul inferior) și desenează ceva de genul Fig. 1. Neutronul este același, constând doar dintr-un quark în sus și în două. Această imagine simplă ilustrează ceea ce au crezut unii oameni de știință, în principal în anii '60. În curând a devenit clar că acest punct de vedere a fost supradimensionat într-o asemenea măsură încât nu mai era corect.
Din surse de informații mai sofisticate, veți afla că protonii sunt alcătuiți din trei quark-uri (două în sus și unul în jos) ținute împreună de gluoni - și o imagine similară cu Fig. 2, unde gluonii sunt trași sub formă de arcuri sau fire care dețin quark. Neutronii sunt aceiași, cu un singur quark în sus și doi quark în jos.
Fig. 2: îmbunătățirea fig. 1 datorită accentului pus pe rolul important al interacțiunii nucleare puternice care prinde quark-urile într-un proton
Nu este o modalitate atât de proastă de a descrie nucleonii, deoarece subliniază rolul important al interacțiunii nucleare puternice, care deține quark-uri într-un proton din cauza gluonilor (la fel ca un foton, particula care formează lumină, este asociată cu interacțiunea electromagnetică). Dar acest lucru este de asemenea confuz, deoarece nu explică cu adevărat ce sunt gluonii și ce fac.
Există motive pentru a merge mai departe și a descrie lucrurile așa cum am făcut-o: un proton este format din trei quark-uri (două în sus și unul în jos), o grămadă de gluoni și un munte de perechi de quark-antiquark (în mare parte quark-uri în sus și în jos, dar există și unele ciudate) ... Toți zboară înapoi și înapoi la viteze foarte mari (apropiindu-se de viteza luminii); acest ansamblu este ținut împreună de forțe nucleare puternice. Am demonstrat acest lucru în Fig. 3. Neutronii sunt din nou la fel, dar cu un quark în sus și în jos; quark care și-a schimbat afilierea este indicat printr-o săgeată.
Fig. 3: o reprezentare mai realistă, deși încă imperfectă a protonilor și neutronilor
Aceste quarkuri, antiquarks și gluoni nu numai că se execută în mod sălbatic înainte și înapoi, ci se ciocnesc între ele și se transformă reciproc prin procese precum anihilarea particulelor (în care un quark și un antiquark de același tip se transformă în două gluoni sau invers) sau absorbția și emisia unui gluon (în care un quark și un gluon se pot ciocni și generează un quark și două gluoni sau invers).
Ce au aceste trei descrieri în comun:
- Cele două quarkuri sus și quark-ul jos (plus altceva) de pe proton.
- Un quark în sus și doi quark în jos (plus altceva) pentru neutron.
- „Altceva” pentru neutroni coincide cu „altceva” pentru protoni. Adică, nucleonii au „altceva” la fel.
- O mică diferență de masă între proton și neutron apare datorită diferenței de masă a quark-ului jos și a quark-ului.
- quark-urile superioare au o sarcină electrică egală cu 2/3 e (unde e sarcina de protoni, -e este sarcina electronilor),
- quark-urile inferioare au o încărcare de -1 / 3e,
- gluonii au o taxă de 0,
- orice quark și antiquark-ul corespunzător au o încărcare totală de 0 (de exemplu, un quark anti-inferior are o încărcare de +1 / 3e, astfel încât un quark inferior și un anti-quark inferior au o taxă de –1/3 e +1/3 e \u003d 0)
- sarcina electrică totală a protonului este 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e \u003d e,
- sarcina electrică totală a neutronului este 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e \u003d 0.
- cât de mult „altceva” este în interiorul nucleonului,
- ce face acolo
- de unde provin masa și energia masei (E \u003d mc 2, energia prezentă chiar și atunci când particula este în repaus) a nucleonului.
Fig. 1 sugerează că quark-urile reprezintă, de fapt, o treime dintr-un nucleon - la fel ca un proton sau un neutron reprezintă un sfert de nucleu de heliu sau 1/12 dintr-un nucleu de carbon. Dacă această cifră ar fi adevărată, quark-urile din nucleon s-ar muta relativ lent (cu viteze mult mai mici decât lumina), cu interacțiuni relativ slabe care acționează între ele (deși cu o forță puternică care le ține în loc). Masa unui quark, în sus și în jos, ar fi apoi de ordinul 0,3 GeV / c 2, aproximativ o treime din masa unui proton. Dar această simplă imagine și ideile pe care le impune sunt pur și simplu greșite.
Fig. 3. dă o idee complet diferită a protonului ca un calder de particule care se învârt în jurul său la viteze apropiate de lumină. Aceste particule se ciocnesc între ele, iar în aceste coliziuni, unele sunt anihilate, în timp ce altele sunt create la locul lor. Gluonii nu au nicio masă, masele quarks superioare sunt de ordinul 0,004 GeV / s 2, iar masele celor inferioare sunt de ordinul 0,008 GeV / s 2 - de sute de ori mai puțin decât un proton. De unde provine energia masei protonului, întrebarea este complicată: o parte din ea provine din energia masei de quarks și anticharme, unele provenite din energia mișcării quark-urilor, anticarurilor și gluonilor, iar unele (posibil pozitive, posibil negative) din energia stocată în interacțiuni nucleare puternice, ținând împreună quarks, antiquarks și gluonuri.
Într-un sens, fig. 2 încearcă să elimine diferența dintre fig. 1 și fig. 3. Simplifică orezul. 3, eliminând multe perechi quark-antiquark, care, în principiu, pot fi numite efemere, deoarece acestea apar și dispar în mod constant și nu sunt necesare. Dar dă impresia că gluonii din nucleoni sunt o parte directă a forței nucleare puternice care deține protonii. Și nu explică de unde provine masa protonului.
Fig. 1 are un alt dezavantaj, în afară de cadrele înguste ale protonului și neutronului. Nu explică unele dintre proprietățile altor hadroni, cum ar fi pionul și ro-mesonul. Orezul are aceleași probleme. 2.
Aceste restricții au dus la faptul că elevii mei și pe site-ul meu web, dau o imagine din fig. 3. Dar vreau să vă avertizez că are și multe limitări, pe care le voi lua în considerare mai târziu.
De remarcat este faptul că complexitatea extremă a structurii, implicată de Fig. 3, ne putem aștepta de la un obiect care este ținut împreună de o forță atât de puternică precum forța nucleară puternică. Și încă un lucru: trei quark-uri (două în sus și unul în jos la proton), care nu fac parte dintr-un grup de perechi de quarks-antiquarks, sunt adesea numite „quark-uri de valență”, și perechi de quark-antiquarks - „o mare de perechi de quark”. Un astfel de limbaj este convenabil din punct de vedere tehnic în multe cazuri. Dar dă falsa impresie că dacă ai putea privi în interiorul unui proton și te uiți la un anumit quark, ai putea spune imediat dacă face parte din mare sau valență. Acest lucru nu se poate face, pur și simplu nu există un astfel de mod.
Masa protonului și masa neutronilor
Deoarece masele protonului și neutronului sunt atât de asemănătoare, și întrucât protonul și neutronul diferă doar în înlocuirea quark-ului cu quark-ul jos, se pare că masele lor sunt furnizate în același mod, provin din aceeași sursă, iar diferența lor este o ușoară diferență între quark-urile în sus și în jos. ... Dar cele trei cifre arătate indică prezența a trei puncte de vedere foarte diferite asupra originii masei protonice.Fig. 1 sugerează că quark-urile în sus și în jos sunt pur și simplu 1/3 din masa unui proton și un neutron: aproximativ 0,313 GeV / s 2 sau din cauza energiei necesare pentru a ține quark-urile într-un proton. Și întrucât diferența dintre masele unui proton și un neutron este o fracție de procent, diferența dintre masele quarkului în sus și în jos trebuie să fie, de asemenea, o fracție de procent.
Fig. 2 este mai puțin clar. Cât din masa protonului se datorează gluonilor? Dar, în principiu, rezultă din figura că cea mai mare parte a masei protonului provine încă din masa de quark, ca în Fig. 1.
Fig. 3 reflectă o abordare mai subtilă a modului în care apare masa unui proton (după cum putem verifica direct prin calculele computerizate ale protonului și folosind indirect alte metode matematice). Este foarte diferit de ideile prezentate în fig. 1 și 2 și se pare că nu este atât de ușor.
Pentru a înțelege cum funcționează, trebuie să ne gândim nu în termenii masei protonului m, ci în ceea ce privește energia sa de masă E \u003d mc 2, energia asociată cu masa. Întrebarea corectă conceptual nu este „de unde a venit masa protonului m”, după care puteți calcula E înmulțind m cu c 2, ci dimpotrivă: „de unde vine energia de masă a protonului E”, după care puteți calcula masa m împărțind E cu c 2 ...
Este utilă clasificarea contribuțiilor la energia de masă a protonilor în trei grupuri:
A) Energia de masă (energia de odihnă) a quark-urilor și a anticarurilor conținute de ea (gluoni, particule fără masă, nu aduc nici o contribuție).
B) Energia mișcării (energia cinetică) a quark-urilor, anticarurilor și gluonilor.
C) Energia de interacțiune (energia de legare sau energia potențială) stocată în interacțiuni nucleare puternice (mai precis, în câmpurile gluon) care dețin protonul.
Fig. 3 sugerează că particulele din interiorul protonului se mișcă cu viteză mare și că este plin de gluoni fără masă, prin urmare contribuția lui B) este mai mare decât A). De obicei, în majoritatea sistemelor fizice, B) și C) se dovedesc a fi comparabile, în timp ce C) este adesea negativ. Deci energia de masă a protonului (și a neutronului) este obținută în principal din combinația B) și C), iar A) contribuie cu o fracție mică. Prin urmare, masele protonului și neutronului apar în principal nu din cauza masei particulelor pe care le conțin, ci din cauza energiilor de mișcare ale acestor particule și a energiei interacțiunii lor asociate cu câmpurile de gluon care generează forțe care dețin protonul. În majoritatea celorlalte sisteme cu care suntem familiarizați, echilibrul energetic este distribuit diferit. De exemplu, A) domină în atomi și în sistemul solar, în timp ce B) și C) sunt mult mai mici și au dimensiuni comparabile.
Rezumând, subliniem că:
- Fig. 1 presupune că energia de masă a protonilor provine din contribuția A).
- Fig. 2 presupune că ambele contribuții A) și C) sunt importante, iar B) contribuie puțin din cota sa.
- Fig. 3 presupune că B) și C) sunt importante, iar contribuția lui A) se dovedește a fi nesemnificativă.
Dacă fig. 3 nu minte, masele quark și antiquark sunt foarte mici. Cum sunt ei cu adevărat? Masa quarkului superior (ca antiquark) nu depășește 0,005 GeV / c 2, care este mult mai mică decât 0,313 GeV / c 2, care rezultă din Fig. 1. (Masa quark-ului este greu de măsurat, iar această valoare se schimbă din cauza efectelor subtile, deci poate fi mult mai mică decât 0.005 GeV / c 2). Masa quark-ului descendent este cu aproximativ 0,004 GeV / s 2 mai mare decât masa quarkului ascendent. Aceasta înseamnă că masa oricărui quark sau antiquark nu depășește un procent din masa unui proton.
Rețineți că acest lucru înseamnă (contrazicând Fig. 1) că raportul dintre masa quark-ului jos și quark-ul nu este aproape de unitate! Masa quark-ului jos este cel puțin de două ori mai mare decât masa quark-ului. Motivul pentru care masele unui neutron și ale unui proton sunt atât de asemănătoare nu este faptul că masele de quark în sus și în jos sunt similare, ci pentru că masele de quark în sus și în jos sunt foarte mici - iar diferența dintre acestea este mică, în raport cu masele protonului și neutronului. Nu uitați că pentru a converti un proton într-un neutron, trebuie doar să înlocuiți unul dintre quark-urile sale cu unul în jos (Fig. 3). Această schimbare este suficientă pentru ca neutronul să fie ușor mai greu decât protonul și să-și schimbe sarcina de la + e la 0.
Apropo, faptul că diferite particule din interiorul unui proton se ciocnesc între ele și apar și dispar constant, nu afectează lucrurile pe care le discutăm - energia se conservă în orice coliziune. Energia de masă și energia de mișcare a quark-urilor și a gluonilor se pot schimba, precum și energia interacțiunii lor, însă energia totală a unui proton nu se schimbă, deși tot ceea ce se află în interiorul său se schimbă constant. Deci, masa protonului rămâne constantă în ciuda vortexului său intern.
În acest moment, puteți opri și absorbi informațiile primite. Uimitor! Aproape toată masa conținută în materia obișnuită provine din masa nucleonilor din atomi. Și cea mai mare parte a acestei mase provine din haosul inerent al protonului și neutronului - din energia mișcării quark-urilor, a gluonilor și a anticarourilor din nucleoni și din energia activității interacțiunilor nucleare puternice care mențin nucleonul în întregul stat. Da: planeta noastră, corpurile noastre, respirația noastră sunt rezultatul unei astfel de liniștiți și, până de curând, de pandemonium inimaginabil.
Mărimile și masa atomilor sunt mici. Raza atomilor este de 10-10 m, iar raza nucleului este de 10-15 m. Masa unui atom este determinată prin împărțirea masei unui mol de atomi a unui element la numărul de atomi pe aluniță (N A \u003d 6,02 · 10 23 mol -1). Masa atomilor variază în intervalul de 10 -27 ~ 10 -25 kg. De obicei, masa atomilor este exprimată în unități de masă atomică (amu). Pentru amu Se acceptă 1/12 din masa unui atom al izotopului de carbon 12 C.
Principalele caracteristici ale unui atom sunt încărcătura nucleului său (Z) și numărul de masă (A). Numărul de electroni dintr-un atom este egal cu sarcina nucleului său. Proprietățile atomilor sunt determinate de încărcătura nucleelor \u200b\u200blor, numărul de electroni și starea lor în atom.
Proprietățile de bază și structura nucleului (teoria compoziției nucleelor \u200b\u200batomice)
1. Nucleii atomilor tuturor elementelor (cu excepția hidrogenului) constau în protoni și neutroni.
2. Numărul de protoni din nucleu determină valoarea încărcării sale pozitive (Z). Z - numărul de serie al unui element chimic din sistemul periodic al Mendeleev.
3. Numărul total de protoni și neutroni este valoarea masei sale, deoarece masa unui atom este concentrată în principal în nucleu (99, 97% din masa unui atom). Particulele nucleare - protoni și neutroni - sunt unite sub un nume comun nucleoni (din cuvântul latin nucleus, care înseamnă „miez”). Numărul total de nucleoni corespunde numărului de masă, adică. masa sa atomică, rotunjită la un număr întreg A.
Sâmburi cu aceeași Zdar diferit ȘI sunt numite izotopi... Sâmburii care, la fel ȘI au diferite Zsunt numite isobars... În total, sunt cunoscuți aproximativ 300 de izotopi stabili de elemente chimice și peste 2000 de izotopi radioactivi naturali și artificiali obținuți.
4. Numărul de neutroni din nucleu N poate fi găsit prin diferența dintre numărul de masă ( ȘI) și numărul de serie ( Z):
5. Mărimea miezului se caracterizează prin raza nucleului, care are o semnificație convențională datorită estompării graniței de sâmbure.
Densitatea materiei nucleare este, în ordinea mărimii, de 10 17 kg / m 3 și este constantă pentru toate nucleele. Depășește cu mult densitatea substanțelor obișnuite cele mai dense.
Teoria proton-neutronilor a făcut posibilă rezolvarea contradicțiilor anterioare în conceptele compoziției nucleelor \u200b\u200batomice și a relației sale cu numărul de serie și masa atomică.
Energie de legătură de bază este determinată de cantitatea de muncă care trebuie făcută pentru a împărți nucleul în nucleonii săi constituenți, fără a le oferi energie cinetică. Din legea conservării energiei rezultă că, în timpul formării unui nucleu, trebuie eliberată aceeași energie care trebuie cheltuită la împărțirea unui nucleu în nucleonii săi. Energia de legare a nucleului este diferența dintre energia tuturor nucleonilor liberi care alcătuiesc nucleul și energia lor din nucleu.
Când se formează un nucleu, masa lui scade: masa nucleului este mai mică decât suma maselor nucleonilor săi. Scăderea masei nucleului în timpul formării sale se explică prin eliberarea de energie de legare. În cazul în care un Wsv este valoarea energiei eliberate în timpul formării nucleului, apoi masa corespunzătoare Dm, egală cu
denumit defect de masă și caracterizează scăderea masei totale în timpul formării unui nucleu din nucleonii săi constituenți. O unitate de masă atomică corespunde unitate de energie atomică (a.u.): a.u. \u003d 931.5016 MeV.
Energia specifică de legare a nucleului wenergia de legare pe nucleon se numește: wsv \u003d 
... Cantitatea wc este în medie 8 MeV / nucleon. Pe măsură ce numărul de nucleoni din nucleu crește, energia de legare specifică scade.
Criteriul pentru stabilitatea nucleelor \u200b\u200batomice este raportul dintre numărul protonilor și neutronilor dintr-un nucleu stabil pentru izobare. ( ȘI\u003d const).
Forțele nucleare
1. Interacțiunea nucleară indică faptul că sunt speciale forțele nucleare, care nu poate fi redus la niciunul dintre tipurile de forțe cunoscute în fizica clasică (gravitațional și electromagnetic).
2. Forțele nucleare sunt forțe cu rază scurtă de acțiune. Ele apar doar la distanțe foarte mici între nucleonii din nucleul de ordinul a 10-15 m. Lungimea (1,5 (2,2) 10-15 m se numește gama de forțe nucleare.
3. Forțele nucleare descoperă încărcați independența: atracția dintre doi nucleoni este aceeași indiferent de starea de încărcare a nucleonilor - proton sau nucleon. Independența de sarcină a forțelor nucleare este văzută dintr-o comparație a energiilor obligatorii din nuclee de oglindă... Acesta este numele nucleelor \u200b\u200bîn care numărul total de nucleoni este același, dar numărul protonilor dintr-unul este egal cu numărul de neutroni în cealaltă. De exemplu, nuclee de heliu 
tritiu cu hidrogen greu -.
4. Forțele nucleare au proprietatea de saturație, care se manifestă prin faptul că un nucleon dintr-un nucleu interacționează doar cu un număr limitat de nucleoni vecini cei mai apropiați. De aceea, există o dependență liniară a energiilor de legare ale nucleelor \u200b\u200bde numărul lor de masă (A). Saturația aproape completă a forțelor nucleare este realizată în particula a, care este o formațiune foarte stabilă.
Radioactivitate, radiație g, a și b - descompunere
1. Radioactivitate este transformarea izotopilor instabili ai unui element chimic în izotopi ai altui element, însoțită de emisia de particule elementare, nuclee sau raze X dure. Radioactivitatea naturală numită radioactivitate observată în izotopi instabili care apar în mod natural. Radioactivitate artificială numită radioactivitatea izotopilor obținuți ca urmare a reacțiilor nucleare.
2. De obicei, toate tipurile de radioactivitate sunt însoțite de emisia de radiații gamma - radiații de undă electrică de lungime de undă scurtă. Radiația gamă este principala formă de scădere a energiei produselor excitate ale transformărilor radioactive. Se numește nucleul care suferă de descompunere radioactivă materne; în curs de dezvoltare filială nucleul, de regulă, se dovedește a fi excitat, iar tranziția sa la starea la sol este însoțită de emisia unui foton g.
3... Cariile alfa se numește emisia de către nucleele unor elemente chimice a - particule. Cariile alfa sunt o proprietate a nucleelor \u200b\u200bgrele cu numere de masă ȘI\u003e 200 și sarcini nucleare Z\u003e 82. Se formează particule a separate în interiorul acestor nuclee, fiecare constând din doi protoni și doi neutroni, adică. un atom al unui element deplasat în tabelul periodic al elementelor din D.I. Mendeleev (PSE) două celule la stânga elementului radioactiv original cu un număr de masă mai mic de 4 unități (Regula Soddy-Faience): 
4. Termenul de degradare beta indică trei tipuri de transformări nucleare: electronic (grup pozitronic (b +) se descompune și captura electronică.
b- descompunerea are loc predominant în nucleele bogate în neutroni. În acest caz, neutronul nucleului se descompune într-un proton, un electron și un antineutrino () cu sarcină zero și masă.
În decadere b, numărul de masă al izotopului nu se modifică, deoarece numărul total de protoni și neutroni este conservat, iar sarcina crește cu 1. Prin urmare, atomul elementului chimic format este deplasat de către PSE o celulă spre dreapta elementului inițial, iar numărul său de masă nu se schimbă(Regula Soddy-Faience):
b + - degradarea are loc predominant în nucleele relativ bogate în protoni. În acest caz, protonul nucleului se descompune într-un neutron, un pozitron și un neutrin ().
.
Odată cu descompunerea b + -, numărul de masă al izotopului nu se modifică, deoarece numărul total de protoni și neutroni este conservat, iar sarcina scade cu 1. Prin urmare, atomul elementului chimic format este deplasat de PSE o celulă la stânga elementului inițial, iar numărul său de masă nu se schimbă(Regula Soddy-Faience):
5. În cazul captării electronilor, transformarea constă în dispariția unuia dintre electroni din stratul cel mai apropiat de nucleu. Un proton, care se transformă într-un neutron, ca și cum „captează” un electron; de aici provine termenul „captură electronică”. Captarea electronilor, spre deosebire de captura b ±, este însoțită de radiații caracteristice razelor X.
6. b - degradarea are loc în nuclee radioactive în mod natural, precum și în nuclee radioactive artificial; b + -declara este caracteristică numai pentru fenomenul radioactivității artificiale.
7. radiația g: atunci când este excitat, nucleul unui atom emite radiații electromagnetice cu lungime de undă scurtă și frecvență ridicată, care are o rigiditate mai mare și o putere de penetrare decât radiațiile cu raze X. Drept urmare, energia nucleului scade, în timp ce numărul de masă și încărcarea nucleului rămân nu mici. Prin urmare, transformarea unui element chimic în altul nu este observată, iar nucleul atomic trece într-o stare mai puțin excitată.
Compoziția nucleului atomic. Calculul protonilor și neutronilor
Conform conceptelor moderne, un atom este format dintr-un nucleu și electroni situați în jurul său. La rândul său, nucleul unui atom este format din particule elementare mai mici - dintr-o anumită cantitate protoni și neutroni (denumirea comună pentru care sunt nucleoni), interconectate de forțele nucleare.
Numărul de protoni în nucleu determină structura învelișului de electroni al atomului. Și învelișul de electroni determină proprietățile fizice și chimice ale substanței. Numărul protonilor corespunde numărului ordinal al atomului din tabelul periodic al elementelor chimice ale lui Mendeleev, se numesc și numărul de încărcare, numărul atomic, numărul atomic. De exemplu, numărul protonilor dintr-un atom de heliu este 2. În tabelul periodic, acesta este numerotat 2 și este notat ca El 2 Simbolul pentru numărul protonilor este litera latină Z. Când se scriu formule, deseori numărul care indică numărul protonilor este situat sub simbolul elementului sau la dreapta sau la stânga: He 2/2 He.
Numărul de neutroni corespunde unui izotop specific al unui element. Izotopii sunt elemente cu același număr atomic (același număr de protoni și electroni), dar cu un număr de masă diferit. Numar de masa - numărul total de neutroni și protoni din nucleul unui atom (notat cu litera latină A). Când scrieți formule, numărul de masă este indicat în partea de sus a simbolului elementului pe una dintre părțile laterale: He 4 2/4 2 He (izotop de heliu - Heliu - 4)
Astfel, pentru a afla numărul de neutroni dintr-un izotop particular, numărul de protoni trebuie scăzut din numărul total de masă. De exemplu, știm că un atom de Helium-4 He 4 2 conține 4 particule elementare, deoarece numărul de masă al izotopului este 4. Știm, de asemenea, că El 4 2 are 2 protoni. Scăzând 2 (numărul de protoni) de la 4 (numărul total de masă), obținem 2 - numărul de neutroni din nucleul Helium-4.
PROCESUL DE CALCULARE A NUMĂRULUI DE PUNCTE FANTOMICE ÎN NUCLEUL UNUI ATOM. Ca exemplu, nu am considerat accidental Helium-4 (He 4 2), al cărui nucleu este format din doi protoni și doi neutroni. Deoarece nucleul de heliu-4, numit particulă alfa (particula alfa), este cel mai eficient în reacțiile nucleare, este adesea utilizat pentru experimente în această direcție. Trebuie menționat că în formulele reacțiilor nucleare, simbolul α este adesea utilizat în locul He 4 2.
Cu participarea particulelor alfa, E. Rutherford a efectuat prima reacție de transformare nucleară din istoria oficială a fizicii. În timpul reacției, particulele α (He 4 2) au „bombardat” nucleele izotopului de azot (N 14 7), în urma căruia s-a format un izotop de oxigen (O 17 8) și un proton (p 1 1).
Această reacție nucleară arată astfel:
Să calculăm numărul de particule Po-fantomă înainte și după această transformare.
PENTRU CALCULAREA NUMĂRULUI DE PARTICULE FANTOM ESTE NECESARĂ:
Pasul 1. Calculați numărul de neutroni și protoni din fiecare nucleu:
- numărul de protoni este indicat în indicatorul inferior;
- aflăm numărul de neutroni scăzând numărul de protoni (indicator inferior) din numărul total de masă (indicator superior).
Etapa 2. Calculați numărul de particule Po-fantomă în nucleul atomic:
- înmulțiți numărul de protoni cu numărul de particule Po-fantomă conținute în 1 proton;
- înmulțiți numărul de neutroni cu numărul de particule Po-fantomă conținute în 1 neutron;
Pasul 3. Adăugați numărul de particule Po-fantomă:
- adăugați numărul de particule Po-fantomă primite la protoni cu cantitatea primită în neutroni din nuclee înainte de reacție;
- adăugați cantitatea primită de particule Po de fantomă la protoni cu cantitatea primită în neutroni din nuclee după reacție;
- comparați numărul de particule Po-fantomă înainte de reacție cu numărul de particule Po-fantomă după reacție.
EXEMPLU DE CALCULARE DETALIATĂ A NUMĂRULUI DE PARTICULE FANTOMICE PE NUCLEI ATOMICE
(Reacția nucleară care implică o particulă α (He 4 2), realizată de E. Rutherford în 1919)
ÎNAINTE DE REACȚIE (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Numărul de protoni: 7
Numărul de neutroni: 14-7 \u003d 7
în 1 proton - 12 Po, ceea ce înseamnă în 7 protoni: (12 x 7) \u003d 84;
în 1 neutron - 33 Po, ceea ce înseamnă în 7 neutroni: (33 x 7) \u003d 231;
Numărul total de particule Po-fantomă din miez: 84 + 231 \u003d 315
El 4 2
Numărul de protoni - 2
Numărul de neutroni 4-2 \u003d 2
Număr de particule Po-fantomă:
în 1 proton - 12 Po, ceea ce înseamnă în 2 protoni: (12 x 2) \u003d 24
în 1 neutron - 33 Po, ceea ce înseamnă în 2 neutroni: (33 x 2) \u003d 66
Numărul total de particule Po-fantomă din miez: 24 + 66 \u003d 90
Total, numărul de particule Po-fantom înainte de reacție
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
DUPĂ REACȚIE (O 17 8) și un proton (p 1 1):
O 17 8
Numărul de protoni: 8
Numărul de neutroni: 17-8 \u003d 9
Număr de particule Po-fantomă:
în 1 proton - 12 Po, ceea ce înseamnă în 8 protoni: (12 x 8) \u003d 96
în 1 neutron - 33 Po, ceea ce înseamnă în 9 neutroni: (9 x 33) \u003d 297
Numărul total de particule Po-fantomă din miez: 96 + 297 \u003d 393
p 1 1
Numărul de protoni: 1
Numărul de neutroni: 1-1 \u003d 0
Număr de particule Po-fantomă:
În 1 proton - 12 Po
Nu există neutroni.
Numărul total de particule Po-fantomă din miez: 12
Total, numărul de particule Po-fantomă după reacție
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
Să comparăm numărul de particule Po-fantomă înainte și după reacție:
EXEMPLUL FORMULUI REDUS DE CALCULARE A NUMĂRULUI DE PARTICULE FANTOM DE PE REACȚIE NUCLEARĂ.
O reacție nucleară binecunoscută este reacția interacțiunii α-particule cu izotopul beriliu, în care neutronul a fost descoperit pentru prima dată, care s-a manifestat ca o particulă independentă ca urmare a transformării nucleare. Această reacție a fost realizată în 1932 de către fizicianul englez James Chadwick. Formula de reacție:
213 + 90 → 270 + 33 - numărul de particule Po-fantomă în fiecare miez
303 \u003d 303 - cantitatea totală de particule Po de fantom înainte și după reacție
Cantitățile de particule Po de fantomă înainte și după reacție sunt egale.
