Как были открыты протоны

Протон (элементарная частица) — Vladimir Gorunovich

Как были открыты протоны

Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта «Викизнание» еще до того как аналогичная статья на сайте Викизнание подверглась правке, исказившей действительность. Теперь я могу свободно писать правду только на своих сайтах, и еще тех сайтах, которые позволяют это сделать.

Оглавление

  • 1 Протон (элементарная частица)
  • 2 Протон в физике
    • 2.1 Радиус протона
    • 2.2 Магнитный момент протона
    • 2.3 Электрическое поле протона
      • 2.3.1 Электрическое поле протона в дальней зоне
      • 2.3.2 Электрические заряды протона
      • 2.3.3 Электрическое поле протона в ближней зоне
    • 2.4 Масса покоя протона
    • 2.

      5 Время жизни протона

  • 3 Протон в Стандартной модели
  • 4 Протон — это элементарная частица
  • 5 Когда физика оставалась наукой
  • 6 Протон — итог

1 Протон (элементарная частица)

Протон — элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) — группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

ПротонОсновные квантовые числа (по полевой теории элементарных частиц)Дополнительные квантовые числаДругие свойства
Символp, p+
Масса938,272046(21)МэВ
Группыбарионы
Главное квантовое число (L)3/2
Подгруппа (ML)протона (-3/2)
Квантовое число V0
Электрический заряд+1
Спин1/2
Барионное число1
Время жизни>2.9•1029 лет (в свободном состоянии)
Схема распадаn0 + e+ + ve (наблюдаются в атомных ядрах)

Подгруппа протона (основные и возбужденные состояния)

2 Протон в физике

Протон — элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) — группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

Согласно полевой теории элементарных частиц (теории — построенной на научном фундаменте и единственной получившей правильный спектр всех элементарных частиц), протон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей.

Все голословные утверждения Стандартной модели о том, что протон якобы состоит из кварков, не имеют ничего общего с действительностью. — Физика экспериментально доказала, что протон обладает электромагнитными полями, и еще гравитационным полем.

О том, что элементарные частицы не просто обладают — а состоят из электромагнитных полей, физика гениально догадалась еще 100 лет назад, но вот построить теорию никак не удавалось до 2010 года.

Теперь в 2015 году появилась еще и теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и получившая уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отличные от уравнений гравитации, на основании которых была построена не одна математическая сказка в физике.

Структура электромагнитного поля протона (E-постоянное электрическое поле ,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле)

Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):

  • постоянное электрическое поле (E) — 0,346%,
  • постоянное магнитное поле (H) — 7,44%,
  • переменное электромагнитное поле — 92,21%.

Соотношение между энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле протона и энергии сосредоточенной в постоянном электрическом поле равно 21,48. Этим объясняется наличие у протона ядерных сил. Структура протона приведена на рисунке.

Электрическое поле протона состоит из двух областей: внешней области с положительным зарядом и внутренней области с отрицательным зарядом. Разность зарядов внешней и внутренней областей определяет суммарный электрический заряд протона +e. В основе его квантования лежат геометрия и строение элементарных частиц.

А так выглядят фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, действительно существующие в природе:

Фундаментальные взаимодействия в природе, их (физические поля)
• Электромагнитные взаимодействия (электромагнитные поля)• Гравитация (гравитационное поле)

2.1 Радиус протона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для протона это будет 3,4212 •10-16 м. К этому необходимо добавить еще толщину слоя электромагнитного поля, в результате получится:

что равно 4,5616 •10-16 м. Таким образом, внешняя граница протона находится от центра на расстоянии 4,5616 •10-16 м. Но необходимо помнить, что небольшая (порядка 1%) часть массы покоя, заключенная в постоянном электрическом и постоянном магнитном полях, в соответствии с классической электродинамикой, находится вне данного радиуса.

2.2 Магнитный момент протона

В противовес квантовой теории полевая теория элементарных частиц утверждает, что магнитные поля элементарных частиц не создаются спиновым вращением электрических зарядов, а существуют одновременно с постоянным электрическим полем как постоянная составляющая электромагнитного поля. Поэтому магнитные поля есть у всех элементарных частиц с квантовым числом L>0.

Полевая теория элементарных частиц не считает магнитный момент протона аномальным — его величина определяется набором квантовых чисел в той степени, в какой квантовая механика работает в элементарной частице.

Так основной магнитный момент протона создается двумя токами:

  • (+) с магнитным моментом +2 eħ/m0pc
  • (-) с магнитным моментом -0,5 eħ/m0pc

Для получения результирующего магнитного момента протона надо сложить оба момента, умножить на процент энергии переменного электромагнитного поля, разделенный на 100 процентов и добавить спиновую составляющую, в результате получим 1,3964237 eh/m0pc. Для того чтобы перевести в обычные ядерные магнетоны надо полученное число умножить на два — в итоге имеем 2,7928474.

2.3.1 Электрическое поле протона в дальней зоне

Знания физики об структуре электрического поля протона менялись по мере развития физики. Первоначально считалось, что электрическое поле протона представляет собой поле точечного электрического заряда +e. Для данного поля будут:
потенциал электрического поля протона в точке (А) в дальней зоне (r >> rp) точно, в системе СИ равен:

напряженность E электрического поля протона в дальней зоне (r >> rp) точно, в системе СИ равна:

где n = r/|r| — единичный вектор из центра протона в направлении точки наблюдения (А), r — расстояние от центра протона до точки наблюдения, e — элементарный электрический заряд, жирным шрифтом выделены вектора, ε0 — электрическая постоянная, rp=Lh/(m0~c) — радиус протона в полевой теории, L — главное квантовое число протона в полевой теории, h — постоянная Планка, m0~ — величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося протона, c — скорость света. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данные математические выражения верны для дальней зоны электрического поля протона: r >> rp, но физика тогда предполагала, что их верность распространяется и в ближней зоне, до расстояний порядка 10-14 см.

2.3.2 Электрические заряды протона

В первой половине 20 века физика считала, что у протона имеется только один электрический заряд и он равен +e.

После появления гипотезы кварков, физика предположила что внутри протона имеются не один, а три электрических заряда: два электрических заряда +2e/3 и один электрический заряд -e/3. В сумме эти заряды дают +e.

Это было сделано, поскольку физика предположила, что протон имеет сложную структуру и состоит из двух u-кварков с зарядом +2e/3 и одного d-кварка с зарядом -e/3.

Но кварки не были найдены ни в природе, ни на ускорителях ни при каких энергиях и оставалось либо принять их существование на веру (что и сделали сторонники Стандартной модели), либо искать другую структуру элементарных частиц.

Но вместе с этим в физике постоянно накапливалась экспериментальная информация об элементарных частицах и когда ее накопилось достаточно для переосмысления сделанного, на свет появилась полевая теория элементарных частиц.

Согласно полевой теории элементарных частиц, постоянное электрическое поле элементарных частиц с квантовым числом L>0, как заряженных, так и нейтральных, создается постоянной компонентой электромагнитного поля соответствующей элементарной частицы (не электрический заряд является первопричиной электрического поля, как физика считала в 19 веке, а электрические поля элементарных частиц таковы, что они соответствуют полям электрических зарядов). А поле электрического заряда возникает в результате наличия асимметрии между внешней и внутренней полусферами, генерирующими электрические поля противоположных знаков. Для заряженных элементарных частиц в дальней зоне генерируется поле элементарного электрического заряда, а знак электрического заряда определяется знаком электрического поля, генерируемого внешней полусферой. В ближней зоне данное поле обладает сложной структурой и является дипольным, но дипольным моментом оно не обладает. Для приближенного описания данного поля как системы точечных зарядов потребуется не менее 6 «кварков» внутри протона — лучше если взять 8 «кварков». Понятное дело, что электрические заряды таких «кварков» будут совершенно иными, чем считает стандартная модель (со своими кварками).

Полевая теория элементарных частиц установила, что у протона, как и у любой другой положительно заряженной элементарной частицы, можно выделить два электрических заряда и соответственно два электрических радиуса:

  • электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда q+=+1.25e) — rq+= 4.39 10-14 см,
  • электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда q-=-0.25e) — rq-= 2.45 10-14 см.

Данные характеристики электрического поля протона соответствуют распределению 1 полевой теории элементарных частиц.

Физика пока экспериментально не установила точность данного распределения, и какое распределение наиболее точно соответствует реальной структуре постоянного электрического поля протона в ближней зоне, равно как и саму структуру электрического поля протона в ближней зоне (на расстояниях порядка rp).

Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+4/3e=+1.333e и -1/3e=-0.333e) в протоне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая положительно заряженная элементарная частица, независимо от величины спина и … .

Величины электрических радиусов для каждой элементарной частицы уникальны и определяются главным квантовым числом в полевой теории L, величиной массы покоя, процентом энергии заключенной в переменном электромагнитном поле (где работает квантовая механика) и структурой постоянной составляющей электромагнитного поля элементарной частицы (одинаковой для всех элементарных частиц с заданным главным квантовым числом L), генерирующей внешнее постоянное электрическое поле. Электрический радиус указывает среднее местонахождение равномерно распределенного по окружности электрического заряда, создающего аналогичное электрическое поле. Оба электрических заряда лежат в одной плоскости (плоскости вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы) и имеют общий центр, совпадающий с центром вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы.

2.3.3 Электрическое поле протона в ближней зоне

Зная величины электрических зарядов внутри элементарной частицы и их местоположение, можно определить и создаваемое ими электрическое поле.

Напряженность E электрического поля протона в ближней зоне (r~rp), в системе СИ, как векторная сумма, приблизительно равна:

где n+ = r+/|r+| — единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q+ в направлении точки наблюдения (А), n- = r-/|r-| — единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q- в направлении точки наблюдения (А), r — расстояние от центра протона до проекции точки наблюдения на плоскость протона, q+ — внешний электрический заряд +1.25e, q- — внутренний электрический заряд -0.25e, жирным шрифтом выделены вектора, ε0 — электрическая постоянная, z — высота точки наблюдения (А) (расстояние от точки наблюдения до плоскости протона), r0 — нормировочный параметр. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данное математическое выражение представляет собой сумму векторов и ее надо вычислять по правилам сложения векторов, поскольку это поле двух распределенных электрических зарядов (+1.25e и -0.25e).

Первое и третье слагаемое соответствуют ближним точкам зарядов, второе и четвертое — дальним.

Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области протона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: h/m0~c

Источник: https://www.sites.google.com/site/gorunovichvladimir/home/russkij/elementarnye-casticy/spisok-castic/bariony/proton

Происхождение массы протона

Как были открыты протоны

Загадочная история с массой протона  очевиднее всего демонстрирует, почему исследования кварков и глюонов столь сложны. У нас есть вполне четкое понимание того, каким образом кварки и лептоны (класс элементарных частиц, который включает и электроны) обретают свою массу.

Этот механизм возникает из бозона Хиггса  и связанного с ним поля Хиггса, которое пронизывает все пространство. Когда частицы пролетают через это поле, их взаимодействие с этим полем наполняет их массой.

Часто говорят, что механизм Хиггса служит причиной возникновения массы в наблюдаемой Вселенной. Это утверждение, однако, не соответствует действительности. Масса кварков составляет лишь 2% массы протона и нейтрона.

Остальные 98%, как мы полагаем, возникают в основном из-за воздействия глюонов.

Число глюонов и кварков внутри всем хорошо известного протона может значительно изменяться.

Протоны состоят из фундаментальных частиц, называемых кварками и глюонами. Частицы, называемые глюонами, сохраняют протоны и нейтроны в неизменном виде Кварки в протонах очень легкие, и, насколько известно ученым, глюоны вообще не имеют массы. Все же протоны намного тяжелее, чем объединенные массы трех кварков, которые они содержат.

Уже несколько десятилетий назад физики выяснили, что частицы, называемые глюонами, сохраняют протоны и нейтроны в неизменном виде — и таким образом удерживают Вселенную от разрушения.

В дополнение к трем основным кваркам вокруг как светлячки носятся, вспыхивая и тут же угасая, глюоны, число которых постоянно изменяется. Здесь же образуются и снова исчезают пары «кварк -антикварк». Результат -«квантовая пена» рождающихся и умирающих частиц.

Физики полагают, что, когда протоны и нейтроны достигают экстремальных скоростей, глюоны внутри протонов расщепляются на пары новых глюонов, каждый со слегка меньшей энергией, чем число глюонов и кварков внутри всем хорошо известного протона может значительно изменяться Дочерние глюоны, в свою очередь, рождают новых дочерей с еще меньшей энергией. Такое расщепление глюонов напоминает поведение вышедшей из-под контроля машины для попкорна. Теория утверждает, что этот процесс мог бы продолжаться бесконечно, однако мы знаем, что этого не происходит. Если бы глюоны продолжили порождать новые, у машины для попкорна сорвало бы крышку -другими словами, протон стал бы нестабильным и разрушился.

Но поскольку материя очевидно стабильна (мы существуем), ясно, что нечто должно сдерживать этот каскад лавины, -но что? Одна из идей заключается в том, что природе удается установить знак максимальной населенности, когда глюонов становится так много, что они начинают перехлестываться друг с другом внутри протона. Сильные самовоздействия заставляют их отталкиваться друг от друга, и глюоны с меньшей энергией рекомбинируют, образуя глюоны с большей энергией.

Когда рост числа глюонов сходит на нет, глюоны достигают стабильного равновесного состояния -одинакового числа актов деления и рекомбинации, называемого глюонным насыщением, приводя тем самым машину для попкорна под контроль.

Это гипотетическое состояние глюонного насыщения, часто называемое «конденсат цветного стекла», стало бы дистиллированной сущностью некоторых из самых сильных сил во Вселенной.

До сих пор у нас есть только намеки на существование такого состояния, и его свойства еще полностью не выяснены.

Изучая это состояние с использованием экспериментов по глубоконеупругому рассеянию с энергией большей, чем это возможно сегодня, физики смогут «с близкого расстояния» изучать глюоны в их самой плотной, экстремальной форме.

Возможно, поле силы, ограничивающее количество глюонов, которые могут образоваться внутри конденсата цветного стекла, -это то же самое удерживающее поле, что скрепляет протоны в первом случае? Если это так, то наблюдение одного и того же поля в различных обстоятельствах, может статься, даст нам новое понимание того, каким образом глюоны порождают это поле.

Происхождение массы

Кварки в протонах очень легкие и движутся в вакууме. Этот вакуум не пуст, — говорит Сергей Волошин, профессор Уэйнского государственного университета и участник эксперимента ALICE в ЦЕРН. Вакуум фактически заполнен волнообразными полями, которые постоянно образуют  пары частица-античастица.

Три кварка, которые дают протонам свою идентичность, вечно сталкиваются с этими эфирными парами «частица-античастица». Когда один из этих кварков оказывается слишком близко к произведенному в вакууме антикварку, он исчезает во взрыве энергии.

Но протон не умирает, когда его кварк исчезает; скорее, партнерский кварк из созданной в вакууме пары «частица-античастица» занимает место уничтоженного кварка.

Ученые считают, что этот непрерывный обмен кварками является причиной того, что протон выглядит более массивным, чем сумма его кварков.

Хиральность

Внешне в этом обмене ничего не меняется. Уничтоженный кварк немедленно заменяется на вид идентичным близнецом, что затрудняет наблюдение за этим процессом. К счастью для ученых LHC, они не совсем идентичны: кварки, как и люди, могут быть левыми или правыми, концепция, называемая хиральностью.

Хиральность связана с квантово-механическим свойством, называемым спином, и примерно соответствует тому, вращается ли кварк по часовой стрелке или против часовой стрелки, когда он движется в определенном направлении в пространстве. 

Из-за свойств вакуума замещающий кварк всегда будет иметь противоположную направленность от оригинала. Это постоянное переключение кварков -объясняют большую часть массы протона.

«Девяносто девять процентов массы может быть получено в результате этого процесса киральности в вакууме», — говорит Дмитрий Харзеев, теоретик атомной энергетики с совместным назначением в Университете Стоуни-Брук и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики. «Когда мы наступаем на шкалу, число, которое мы видим, может быть результатом этих переходов, отражающих хиральность».

Физика внутри магнитного поля

В 2004 году, когда Харзеев был главой группы по ядерной теории в Брукхейвенской лаборатории, у него возникла идея, каким образом они могли бы экспериментально найти доказательства переворота хиральности кварков, чего никогда не наблюдалось. 

Поскольку кварки заряжены, они должны взаимодействовать с магнитным полем.

 «Обычно мы никогда не думаем об этом взаимодействии, потому что магнитные поля, которые мы можем создать в лаборатории, чрезвычайно слабы по сравнению с силой взаимодействий кварков друг с другом», — говорит Харзеев.

 «Однако мы поняли, что когда сталкиваются заряженные ионы, они сопровождаются электромагнитным полем, и это поле может быть использовано для исследования киральности кварков».

Когда были произведены расчеты,  обнаружили, что положительно заряженные ионы, падающие друг в друга внутри коллайдера частиц, такого как LHC, будут генерировать магнитное поле на два порядка сильнее, чем на поверхности самого сильного из известных магнитных полей. Этого было бы достаточно, чтобы преодолеть сильное влечение кварков друг к другу.

В сильном магнитном поле движение кварка больше не является случайным. Магнитное поле автоматически сортирует кварки в соответствии с их хиральностью, а их направленность направляет их к северному или южному полюсу поля.

Источник

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://naukatehnika.com/proisxozhdenie-massy-protona.html

Referat. Ядро атома

Как были открыты протоны

После создания ядерной модели атома вопрос о составе атомного ядра стал одним из основных в ядерной физике. Из чего состоит атомное ядро? Какие силы удерживают составные части ядра друг возле друга? Ответы на эти вопросы физика ядра смогла дать только после накопления сведений о различных свойствах ядер.

Одна из основных характеристик атомного ядра — его электрический заряд. Точные измерения электрического заряда атомных ядер были выполнены в 1913 году Г. Мозли.

  • Заряды ядер атомов различных химических элементов он определял по спектрам рентгеновского излучения, испускаемого атомами при облучении вещества потоком электронов высокой энергии.

Электрический заряд ядра атомаq равен произведению элементарного электрического заряда е на порядковый номер Z химического элемента в таблице Д.И. Менделеева: q = Z·e.

Таким образом, зная порядковый номер химического элемента в таблице Д.И. Менделеева, мы можем определить число положительных зарядов в ядре любого атома химического элемента. В связи с этим порядковый номер элемента называется зарядовым числом (Z). И наоборот, зная зарядовое число, мы можем определить по таблице Д.И. Менделеева химический элемент.

Массы атомных ядер можно определить при помощи масс-спектрографа. Эту массу принято обозначать буквой М. Целое число, ближайшее к численному значению массы ядра, выраженному в атомных единицах массы (а.е.м.), называется массовым числом и обозначается буквой А. Массовое число — безразмерная величина.

Изучение рассеивания α-частиц и других видов излучений на ядрах атомов различных химических элементов показали, что многие атомные ядра имеют форму, близкую к сферической. Радиус атомного ядра определяется приближенной формулой: R = r0·A1/3, где r0 = 1,3·10-15 м, А — массовое число.

Зная массу ядер и их размеры, можно рассчитать их плотность. Для ядерного вещества она оказалась равной примерно 1,8·1017 кг/м3.

Открытия протона и нейтрона

Первую частицу, входящую в состав атомных ядер, открыл в 1919 г. Э. Резерфорд, исследуя взаимодействие α-частиц с ядрами атомов азота.

  • В герметический сосуд помещался источник α-частиц, перед которым располагался прозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. При выкачивании воздуха из сосуда, α-частицы достигали экрана и вызывали световые вспышки, наблюдаемые с помощью микроскопа. Источник частиц отодвинули от экрана настолько, что вспышек на экране не было видно, т.е. α-частицы не долетали до экрана. При заполнении сосуда газообразным азотом, на экране наблюдались световые вспышки. Так как электроны не способны вызвать световую вспышку, видимую в микроскоп, то следовательно, α-частицы из ядер азота выбивали какие-то другие заряженные частицы.

Исследования действия электрических и магнитных полей на частицы, выбиваемые из ядер азота, показали, что эти частицы обладают положительным элементарным зарядом и масса их равна массе ядра водорода. Эти частицы — ядра атомов водорода — назвали протонами.

Обозначим протон \(~1_1H\) или \(~1_1p\) , тогда данную реакцию можно записать так\[~{14}_7N + 4_2He \rightarrow {17}_8O + 1_1H\]. Продолжая опыты с бором, фтором, натрием и рядом других элементов, Э Резерфорд обнаружил, что α-частица выбивает и из этих ядер протоны.

На этом основании можно сделать вывод, что ядра атомов всех элементов содержат протоны.

В 1930 г. немецкие ученые В. Боте и Г. Беккер обнаружили, что при облучении бериллия α-частицами, возникает излучение неизвестной природы, способное проходить через толстые слои свинца с меньшим ослаблением, чем даже рентгеновское или γ-излучение. Боте и Беккер решили, что они получили очень жесткие γ-лучи.

В 1932 г. французские ученые Ф. и И. Жолио-Кюри решили изучить излучение, получаемое при облучении бериллия α-частицами. Прежде всего они выяснили, что эти лучи почти не ионизуют воздух, через который проходят.

Но если на их пути поместить парафин, то ионизирующая способность лучей резко возрастает.

Они предположили, что это излучение выбивает из парафиновой пластины протоны, имеющиеся в большом количестве в этом водородосодержащем веществе.

В том же 1932 году, английский физик Д. Чедвик (сотрудник Э.

Резерфорда) выдвинул предположение, согласно которому при облучении бериллия α-частицами излучаются не γ-лучи, а поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона.

Гипотезу о существовании такой нейтральной частицы с массой, примерно равной массе протона, еще в 1920 г. высказал Резерфорд, он же и дал название предполагаемой частице — нейтрон .

  • Название нейтрон произошло от лат. neutron — ни тот, ни другой, т.е. не имеющий ни положительного, ни отрицательного заряда.

Обозначается нейтрон \(~1_0n\) . Опыты Чедвика явились экспериментальным доказательством существования нейтронов.

Состав ядра атома

После открытия нейтрона физики Д. Д. Иваненко (советский ученый) и В. Гейзенберг (немецкий ученый) в 1932 г. выдвинули гипотезу о протонно-нейтронной модели атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов — нуклоны.

) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева, т.е. Np = Z. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу, тогда число нейтронов Nn = AZ. Например, ядро атома кислорода \(~{16}_8O\) состоит из 8 протонов и 16 – 8 = 8 нейтронов.

Ядро атома \(~{235}_{92}U\) состоит из 92 протонов и 235 – 92 = 143 нейтронов.

Обозначаются нейтральный атом и его ядро одним и тем же символом элемента \(~A_ZX\) , где Х — обозначение химического элемента; Z — порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева или зарядовое число; А — массовое число, равное округленной до целого числа массе атома, выраженной в а.е.м.

Если проследить за распределением числа протонов и нейтронов в ядрах различных элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, то можно заметить, что для ядер элементов вплоть до середины таблицы число нейтронов примерно равно числу протонов, т.е. \(~\frac{N_n}{N_p} \approx 1\). По мере утяжеления ядер, количество нейтронов возрастает и в конце таблицы \(~\frac{N_n}{N_p} \approx 1,6\).

Изотопы

Изучения атомных ядер показали, что большинство химических элементов представляют собой смесь атомов с одинаковым зарядовым числом, но с различными массами. Атомы с одинаковыми зарядами ядра, но с различными массами назвали изотопами элемента.

  • Название изотоп произошло от греч. isos — одинаковый, topos — место, т.е. это химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Д.И. Менделеева.

Ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протий \(~1_1H\) — ядро состоит из одного протона, дейтерий \(~2_1H\) — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий \(~3_1H\) — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Уран \(~_{92}U\) имеет 12 изотопов с массовыми числами от 228 до 239. Изотопы имеются у всех химических элементов, кроме техниция \(~{99}_{43}Tc\) и прометия \(~{141}_{61}Pm\) . В настоящее время известно боле 1900 изотопов.

Химические элементы, существующие в природе, представляют собой смеси изотопов. Поэтому атомная масса химического элемента представляет собой среднее значение атомных масс всех его изотопов. Например, у хлора два изотопа с атомными массами 35 и 37, относительное содержание которых 75 и 25%.

Поэтому среднее значение атомной массы элемента хлора равно (35·0,75) + (37·0,25) ≈ 35,5.

Ядерные силы

Открытие частиц, из которых состоит атомное ядро, поставило новую проблему — выяснить природу сил, связывающих частицы в атомном ядре.

К началу 20-го столетия физикам были известны лишь два типа сил: гравитационные и электромагнитные.

Между одноименно заряженными протонами в атомном ядре действуют электростатические силы отталкивания, которые из-за малого расстояния между протонами, достигают колоссальных значений.

Так в ядрах, состоящих из нескольких десятков протонов, силы кулоновского отталкивания достигают несколько тысяч ньютонов (а если учесть при этом массу протонов …). Можно было бы предположить, что кулоновскому отталкиванию протонов противодействует их гравитационное притяжение.

Но расчеты показали, что сила гравитационного притяжения между протонами в ядре в 1036 раз меньше силы кулоновского отталкивания. Факт существования устойчивых атомных ядер свидетельствует о действии внутри атомных ядер новых сил притяжения. Их назвали ядерными силами.

Свойства ядерных сил к настоящему времени изучены экспериментально довольно хорошо. Можно выделить следующие особенности ядерных сил.

  1. Это самые мощные силы из всех, которыми располагает природа, так на расстоянии 10-15 м от центра протона ядерные силы примерно в 35 раз больше кулоновских и в 1038 раз больше гравитационных. Поэтому взаимодействие ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями.
  2. Это короткодействующие силы: они действуют на расстояниях между нуклонами, равными около 10-15 м и резко убывают при увеличении расстояния, так например, при расстоянии 1,4·10-15 м они уже практически равны 0.
  3. Это силы притяжения, но при сближении нуклонов до расстояний 0,5·10-15 м они становятся силами отталкивания.
  4. Ядерным силам свойственно насыщение. Это значит, что ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре не любое количество нуклонов, а лишь определенное их число. Например, в ядре урана \(~{235}_{92}U\) содержится 92 протона и 143 нейтрона. Все они удерживаются ядерными силами. Однако если в ядро урана попадает еще один нейтрон, оно становится неустойчивым и делится на две части. Следовательно, одновременно удержать 92 протона и 144 нейтрона ядерные силы уже не могут.
  5. Ядерные силы зарядовонезависимы, т.е. с одинаковой по модулю силой притягиваются друг к другу и заряженные, и незаряженные частицы.
  6. Ядерные силы являются обменными силами, т.е. нуклоны связыва-ются между собой третьей элементарной частицей (π-мезонами), которой они постоянно обмениваются. Взаимодействие между однородными нуклонами осуществляется нейтральными π0-мезонами; а взаимодействие между различными нуклонами — заряженными π-мезонами.

Энергия связи

Точные измерения масс атомных ядер с помощью масс-спектрографа показали, что масса любого ядра меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов из которых это ядро состоит. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы: Δm = Nmp + Nmn – mядра .

Поэтому из закона взаимосвязи массы и энергии (Е = m·c2), следует, что сумма энергий свободных протонов и нейтронов больше энергии составленного из них ядра.

Минимальная энергия, которую нужно затратить, для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра и равна Есв = Δm·c2.

Эта энергия расходуется на совершения работы против действия ядерных сил притяжения между нуклонами.

При образовании ядра из нуклонов последние за счет действия ядерных сил на малых расстояниях устремляются друг к другу с огромными ускорениями. Излучаемые при этом γ-кванты обладают энергией связи Есв и массой Δm = Есв/c2 , т.е.

при соединении протонов и нейтронов в атомное ядро за счет работы сил ядерного притяжения выделяется энергия, равная по модулю энергии связи ядра.

Об этой величине можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, как при сгорании 5-6 вагонов каменного угля.

Важной характеристикой ядра служит средняя энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон — удельная энергия связи ядра (Есв/A) . Чем она больше, тем сильнее связаны между собой нуклоны, тем прочнее ядро.

Зная удельные энергии ядер и их число нуклонов, легко можно подсчитать удельную энергию связи. Результаты показывают, что для большинства ядер Есв/A ≈ 8 МэВ/нуклон и уменьшается для очень легких и очень тяжелых ядер.

  • У легких ядер большая доля нуклонов находится на поверхности ядра, где они не полностью используют свои связи и величина удельной энергии связи невелика. По мере увеличения массы ядра увеличивается радиус ядра (так как R = r0·A1/3), поэтому отношение площади поверхности к числу нуклонов уменьшается (так как S ~ R2, а A ~ R3, то \(~\frac{S}{A} \sim \frac{1}{R}\)), а значит уменьшается доля нуклонов, находящихся на поверхности, и удельная энергия связи растет. Однако по мере увеличения числа нуклонов в ядре возрастают кулоновские силы отталкивания между протонами, ослабляющими связи в ядре, и величина удельной энергии связи у тяжелых ядер уменьшается.

Зависимость удельной энергии связи нуклона в ядре (Есв/A) от массового числа (А) представлена графически на рисунке. Удельная энергия связи нуклонов в ядре в сотни тысяч раз превосходит энергию связи электронов в атомах.

Таким образом удельная энергия связи максимальна у ядер средней массы (А = 50 … 60), следовательно, они отличаются наибольшей прочностью. Отсюда следует важный вывод. В реакциях деления тяжелых ядер на два средних ядра и синтеза средних ядер из двух более легких ядер получаются ядра прочнее исходных, поэтому, при таких реакциях освобождается энергия.

Литература

  1. Аксенович Л.А., Ракина Н.Н. Физика. Оптика, атом и ядро. — Мн.: ДизайнПРО, 1997. — с. 162-167.
  2. Луцевич А.А., Яковенко С.В. Физика: Учеб. пособие. — Мн.: Выш. шк., 2000. — с. 420-428.
  3. Физика: Учеб. пособие для 11 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики/Под ред. А.А. Пинского. — М.: Просвещение, 1995. — с. 324-333.
  4. Шахмаев Н.М. и др. Физика: Учеб. пособие для 11 кл. сред. шк. — М.: Просвещение, 1991. — с. 185-191.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/Referat._%D0%AF%D0%B4%D1%80%D0%BE_%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0

Открытие протона. Открытие нейтрона

Как были открыты протоны

Уди­ви­тель­ная ис­то­рия слу­чи­лась в самом на­ча­ле ХХ века. Имен­но тогда были от­кры­ты  две важ­ней­шие ча­сти­цы, из ко­то­рых со­сто­ят все ядра хи­ми­че­ских эле­мен­тов – про­тон и ней­трон.

Про­тон

Нач­нем по по­ряд­ку – с про­то­на. Как из­вест­но, про­тон был от­крыт в 1919 г. Э. Ре­зер­фор­дом. Мы знаем, что в 1911 г. уже со­сто­ял­ся опыт Ре­зер­фор­да по опре­де­ле­нию стро­е­ния атома. А в 1913 г., т.е.

через 2 года после сво­е­го зна­ме­ни­то­го экс­пе­ри­мен­та, Ре­зер­форд вы­дви­нул очень важ­ную идею. Он пред­ло­жил счи­тать, что в со­став лю­бо­го ядра, т.е. всех хи­ми­че­ских эле­мен­тов, в ядре лю­бо­го хи­ми­че­ско­го эле­мен­та на­хо­дит­ся во­до­род.

На чем ос­но­вы­ва­лись его такие раз­мыш­ле­ния?

Уже были опре­де­ле­ны ха­рак­те­ри­сти­ки ядер во­до­ро­да. Была из­вест­на масса, был из­ве­стен заряд ядра во­до­ро­да. Ока­за­лось, что массы хи­ми­че­ских эле­мен­тов де­лят­ся на массу во­до­ро­да без остат­ка. Таким об­ра­зом, Ре­зер­форд сде­лал за­яв­ле­ние, что, по всей ве­ро­ят­но­сти, внут­ри лю­бо­го ядра на­хо­дит­ся то или иное ко­ли­че­ство ато­мов во­до­ро­да.

Но любая тео­рия долж­на под­твер­ждать­ся обя­за­тель­но экс­пе­ри­мен­том. Такой экс­пе­ри­мент со­сто­ял­ся в 1919 г., имен­но тогда и был от­крыт про­тон. В своем экс­пе­ри­мен­те Ре­зер­форд ис­поль­зо­вал a-ча­сти­цы. Их Ре­зер­форд на­пра­вил на ядра азота.

В ре­зуль­та­те этого экс­пе­ри­мен­та были по­лу­че­ны два ка­ких-то хи­ми­че­ских эле­мен­та. Один из них был отож­деств­лен – кис­ло­род, а вто­рой, по всей ве­ро­ят­но­сти, яв­лял­ся во­до­ро­дом. Об­ра­щаю ваше вни­ма­ние: уве­рен­но­сти здесь не было.

По­че­му?

Ре­зер­форд ис­поль­зо­вал в своем экс­пе­ри­мен­те метод, о ко­то­ром мы уже го­во­ри­ли на преды­ду­щем уроке, – метод сцин­тил­ля­ций, когда по­па­да­ю­щая ча­сти­ца дает вспыш­ку. По ре­зуль­та­там таких экс­пе­ри­мен­тов он судил о том, что там есть ка­кая-то ча­сти­ца, со­от­вет­ству­ю­щая атому ядра во­до­ро­да.

Рис.1. Ре­зуль­тат бом­бар­ди­ров­ки a-ча­сти­ца­ми ядер азота: об­ра­зо­ва­лись кис­ло­род и ча­сти­ца, тож­де­ствен­ная ядру во­до­ро­да

Эту ча­сти­цу, ядро во­до­ро­да, он на­звал про­то­ном (от греч. «про­тос» – «пер­вый»).

Когда этот экс­пе­ри­мент по­вто­ри­ли, но уже в ка­ме­ре Виль­со­на, при­чем эта ка­ме­ра на­хо­ди­лась в маг­нит­ном поле, то уже не было ни­ка­ких со­мне­ний: от­кры­та новая ча­сти­ца – про­тон.

Итак, про­тон яв­ля­ет­ся ядром атома во­до­ро­да. Да­вай­те по­смот­рим на эту первую ис­кус­ствен­ную ядер­ную ре­ак­цию.

Ста­вит­ся буква Р, внизу от­ме­ча­ет­ся по­ряд­ко­вый номер 1, как у во­до­ро­да. И мас­со­вое число ста­вит­ся 1, т.е. по оцен­ке уже тогда, когда были про­ве­де­ны ис­сле­до­ва­ния в ка­ме­ре Виль­со­на, ясно стало, что масса про­то­на при­бли­зи­тель­но со­от­вет­ству­ет 1 атом­ной массе.

Об­ра­ти­те вни­ма­ние на ре­ак­цию. Ре­ак­ция про­ис­хо­ди­ла сле­ду­ю­щим об­ра­зом:

Азот, по­ряд­ко­вый номер 7 и мас­со­вое число 14, об­стре­ли­вал­ся a-ча­сти­ца­ми. Мы знаем, что a-ча­сти­цы – это ядра атома гелия с по­ряд­ко­вым но­ме­ром 2 и с мас­со­вым чис­лом 4. В ре­зуль­та­те такой ре­ак­ции об­ра­зо­ва­лись два новых ядра. Два со­вер­шен­но новых эле­мен­та.

Пер­вое ядро – это ядро, со­от­вет­ству­ю­щее атому кис­ло­ро­да, с по­ряд­ко­вым но­ме­ром 8 и мас­со­вым чис­лом 17. И та ча­сти­ца, ядро атома во­до­ро­да, ко­то­рое мы те­перь можем смело на­звать про­то­ном.

Итак, ядро атома во­до­ро­да и про­тон – это одно и то же, были от­кры­ты в 1919 г. по сути своей в опы­тах Ре­зер­фор­да.

 Открытие нейтрона

Ней­трон

Сле­ду­ю­щий этап в раз­ви­тии стро­е­ния ядра атома был свя­зан с име­нем Че­дви­ка. Это уче­ник Ре­зер­фор­да. Имен­но ему уда­лось в 1932 г. от­крыть ней­трон. Об­на­ру­жить ней­трон было го­раз­до слож­нее, ведь ней­трон – элек­три­че­ски ней­траль­ная ча­сти­ца, как мы уже знаем.

В 1930 г. двое немец­ких уче­ных, Боте и Бек­кер, в ре­зуль­та­те опы­тов об­на­ру­жи­ли, что при об­лу­че­нии a-ча­сти­ца­ми бе­рил­лия об­ра­зу­ет­ся ка­кое-то неиз­вест­ное из­лу­че­ние.

После от­кры­тия Ре­зер­фор­дом про­то­на, мно­гие уче­ные на­пра­ви­ли свои по­мыс­лы и силы на то, чтобы про­ве­сти ядер­ные ре­ак­ции, ис­кус­ствен­ные ядер­ные ре­ак­ции. При по­мо­щи a-лу­чей стали об­лу­чать мно­гие эле­мен­ты, на­блю­дая за ре­ак­ци­ей. Вот и немец­кие уче­ные в 1930 г.

, об­лу­чая бе­рил­лий, по­лу­чи­ли неиз­вест­ное из­лу­че­ние. Вна­ча­ле это из­лу­че­ние ре­ши­ли отож­де­ствить с g-лу­ча­ми.

Они рас­про­стра­ня­лись вдоль пря­мой, не от­кло­ня­лись в элек­три­че­ском и маг­нит­ном полях, об­ла­да­ли боль­шой энер­ги­ей и вы­со­кой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью.

В даль­ней­шем при изу­че­нии дру­гих ре­ак­ций стало ясно, что такие же лучи об­ра­зу­ют­ся, когда a-лу­ча­ми об­стре­ли­ва­ют бор и неко­то­рые дру­гие хи­ми­че­ские эле­мен­ты.

Срав­ни­вая хи­ми­че­ские эле­мен­ты, по­лу­чен­ные в ре­зуль­та­те та­ко­го рода ре­ак­ций, по­ня­ли, что дан­ные лучи не яв­ля­ют­ся ни­ка­ки­ми лу­ча­ми (g-лу­ча­ми уж точно не яв­ля­ют­ся, по­сколь­ку об­ла­да­ют более вы­со­кой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью энер­ги­ей по срав­не­нию с g-лу­ча­ми).

Рис. 2. Джеймс Че­двик

 Свойства нейтрона

В 1932 г. Че­двик пред­по­ло­жил, что это ка­кая-то новая ча­сти­ца, ко­то­рая не об­ла­да­ет элек­три­че­ским за­ря­дом. Имен­но этим объ­яс­ня­ют­ся все ее свой­ства: она хо­ро­шо про­ни­ка­ет через пре­гра­ды, по­то­му что не вза­и­мо­дей­ству­ет с яд­ра­ми. Такую новую ча­сти­цу на­зва­ли ней­трон (т.к. он элек­три­че­ски ней­тра­лен).

Да­вай­те по­смот­рим на обо­зна­че­ния этой ча­сти­цы и об­су­дим ее свой­ства. Обо­зна­че­ние ней­тро­на сле­ду­ю­щее: 

По­сколь­ку у ней­тро­на нет за­ря­да, то 0 ста­вит­ся внизу, где пи­шет­ся за­ря­до­вое число, а вот мас­со­вое число у него равно 1. Масса ней­тро­на почти равна, но чуть боль­ше массы про­то­на. По­это­му тоже было ре­ше­но ста­вить в мас­со­вом обо­зна­че­нии число, рав­ное 1.

Источник: https://100ballov.kz/mod/page/view.php?id=2624

Протоны не нужны: возможно, открыта частица из четырех нейтронов

Как были открыты протоны

Ученые очень хотят назвать тетранейтроном теоретическую частицу, существование которой пока не подтверждено. Так можно было бы сделать, будь она следствием из некоей существующей теоретической модели, предсказанной некоей теорией.

Но тетранейтрон противоречит существующим теориям — он должен быть невозможным. На фоне всеобщего кипежа о гравитационных волнах, в мире науки проскочил эксперимент, предоставивший убедительное доказательство в пользу тетранейтрона.

Это пока не полное подтверждение, но если выводы нового исследования найдут подтверждение, все будет очень и очень странно.

Итак, история

Проблемная частица, возможно, впервые появилась в 2001 году после десятилетий обсуждений и нескольких сомнительных экспериментов. Ученые выстреливали атомы бериллия-14 в углеродную мишень и наблюдали за получившимся хаосом частиц, такое делают весьма часто.

Бериллий-14 обладает так называемым ядерным ореолом, в отличие от множества простых атомов. Его «внутреннее ядро» обернуто в более широкое «внешнее ядро». Гало бериллия-14 состоит из четырех нейтронов, поэтому ученые ожидали увидеть, как это гало распадается и становится четырьмя отдельными нейтронами. Тогда зафиксировали бы четыре отдельных сигнала.

Вместо этого они наблюдали один большой сигнал, который подразумевал, что нейтроны непонятным образом слиплись в одну частицу, тетрайнейтрон (4n), который должен быть невозможным.

Беда в том, что принцип Паули, свойство квантовой механики, которое утверждает, что два одинаковых фермиона не могут разделять одно и то же квантовое состояние (фермионы — это класс фундаментальных частиц, к которым принадлежат протоны и нейтроны).

Протоны и нейтроны могут объединяться, поскольку обладают различными квантовыми состояниями. Но без каких-либо протонов, группа нейтронов не может быть в состоянии сформировать ядро из-за принципа исключения.

Таким образом, обнаружение подобного заставило ученых серьезно задуматься. Возможно, пора вернуться к школьной доске и пересмотреть базовые физические принципы?

Однако революцию в физике отложили, поскольку дальнейшие исследования не смогли воспроизвести результаты. Другие ученые обнаружили, что по крайней мере часть изначального исследования была скомпрометирована. Тетранейтрона, казалось, не существовало.

Впрочем, это не помешало ученым изучить теоретические последствия тетранейтронов, а также возможные пути их существования. Но из других теоретических работ следовало, что тетранейтрон просто невозможен в рамках наших текущих теорий.

Открытие?

Все это приводит нас в сегодняшний день к другому эксперименту, в рамках которого, похоже, тетранейтрон воспроизвели. Группа ученых из RIKEN в Вако, Япония, активно искали эту частицу. Для этого они выстреливали пучком ядер гелия в жидкую форму гелия.

Атомы гелия в пучке были тяжелым изотопом с двумя протонами и шестью нейтронами. Жидкая форма гелия имеет только по два каждого (самая распространенная форма гелия).

Эту конкретную комбинацию ученые выбрали, поскольку столкновение происходит практически без отдачи. В других реакциях отдача могла бы отправить шок обратно в новообразованный тетранейтрон, разрушив его.

Но эта конкретная настройка позволила бы ему сохраниться в течение короткого времени.

Когда ученые столкнули их вместе, в некоторых случаях был произведен бериллий, с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами. Но из окончательного продукта таинственным образом исчезли четыре нейтрона. Что смешно, эксперимент последовательно воспроизвели четыре раза. Ученые оценили срок существования тетранейтрона в миллиардную или триллионную долю секунды до распада на другие частицы.

Это оставляет косвенный способ их обнаружения. Тетранейтрон не нашли сами по себе, но вывели из недостающей массы конечного продукта. Хотя это не является полным подтверждением существования тетранейтрона, ученые называют его лучшим из имеющихся доказательств, с уровнем значимости в 4,9 сигма. (Обычно, 5 сигма считают стандартом подтверждения).

Пока все кажется весьма убедительным, но что делать с принципом исключения, не совсем понятно.

Необходимо провести дальнейшую работу и воспроизвести результат, а прямое обнаружение будет куда более веским доводом.

Та же группа ученых ищет способ провести улучшенное исследование, которое повысит убедительность результата на пару порядков. Другие экспериментаторы надеются воссоздать частицу другими способами.

В случае подтверждения ученые вернутся к основам теоретической физики. Но в физике, вообще, возврат к основам чаще всего означает самый захватывающий исход. Так или иначе, грядут интересные вещи.

Источник: https://Hi-News.ru/research-development/protony-ne-nuzhny-vozmozhno-otkryta-chastica-iz-chetyrex-nejtronov.html

Делаем просто
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: