- Překlad
Ve středu každého atomu je jádro, malá sbírka částic nazývaných protony a neutrony. V tomto článku budeme studovat podstatu protonů a neutronů, které se skládají z ještě menších částic – kvarků, gluonů a antikvarků. (Gluony, stejně jako fotony, jsou jejich vlastní antičástice.) Kvarky a gluony, pokud víme, mohou být skutečně elementární (nedělitelné a neskládající se z ničeho menšího). Ale k nim později.
Protony a neutrony mají překvapivě téměř stejnou hmotnost – s přesností na procento:
- 0,93827 GeV/c 2 pro proton,
- 0,93957 GeV/c 2 pro neutron.
Protože jsou si velmi podobné a protože tyto částice tvoří jádra, protony a neutrony se často nazývají nukleony.
Protony byly identifikovány a popsány kolem roku 1920 (ačkoli byly objeveny dříve; jádro atomu vodíku je pouze jeden proton) a neutrony byly objeveny kolem roku 1933. Téměř okamžitě bylo zjištěno, že protony a neutrony jsou si navzájem tak podobné. Ale skutečnost, že mají měřitelnou velikost srovnatelnou s velikostí jádra (asi 100 000krát menší poloměr než atom), nebyla známa až do roku 1954. Že se skládají z kvarků, antikvarků a gluonů, se postupně chápalo od poloviny 60. do poloviny 70. let. Koncem 70. a začátkem 80. let se naše chápání protonů, neutronů a toho, z čeho se skládají, do značné míry ustálilo a od té doby zůstalo nezměněno.
Nukleony je mnohem obtížnější popsat než atomy nebo jádra. Neříkat, že atomy jsou v zásadě jednoduché, ale přinejmenším lze bez přemýšlení říci, že atom helia se skládá ze dvou elektronů na oběžné dráze kolem malého jádra helia; a jádro helia je poměrně jednoduchá skupina dvou neutronů a dvou protonů. Ale s nukleony není všechno tak jednoduché. Už jsem psal v článku „Co je proton a co je v něm?“, že atom je jako elegantní menuet a nukleon je jako divoká párty.
Složitost protonu a neutronu se zdá být pravá a nepochází z neúplných znalostí fyziky. Máme rovnice používané k popisu kvarků, antikvarků a gluonů a silných jaderných interakcí, ke kterým mezi nimi dochází. Tyto rovnice se nazývají QCD, z kvantové chromodynamiky. Přesnost rovnic lze zkontrolovat různé způsoby, včetně měření počtu částic objevujících se na Velkém hadronovém urychlovači. Zapojením rovnic QCD do počítače a prováděním výpočtů vlastností protonů a neutronů a dalších podobných částic (souhrnně nazývaných „hadrony“) získáme předpovědi vlastností těchto částic, které se velmi blíží pozorování provedeným v reálném světě. Proto máme důvod se domnívat, že rovnice QCD nelžou a že naše znalosti o protonu a neutronu jsou založeny na správných rovnicích. Ale jen mít správné rovnice nestačí, protože:
- U jednoduché rovnice se může ukázat jako velmi komplexní řešení,
- Někdy je nemožné popsat složitá rozhodnutí jednoduchým způsobem.
Kvůli přirozené složitosti nukleonů si vy, čtenář, budete muset vybrat: kolik chcete vědět o popsané složitosti? Bez ohledu na to, jak daleko se dostanete, s největší pravděpodobností vám to nepřinese uspokojení: čím více se naučíte, tím bude téma jasnější, ale konečná odpověď zůstane stejná – proton a neutron jsou velmi složité. Mohu vám nabídnout tři úrovně porozumění s přibývajícími podrobnostmi; můžete se zastavit po jakékoli úrovni a přejít k dalším tématům, nebo se můžete ponořit až do posledního. Každá úroveň vyvolává otázky, na které mohu částečně odpovědět v té další, ale nové odpovědi vyvolávají nové otázky. Na závěr – stejně jako v odborných diskuzích s kolegy a pokročilými studenty – vás mohu pouze odkázat na data získaná v reálných experimentech, na různé vlivné teoretické argumenty a počítačové simulace.
První úroveň porozumění
Z čeho se skládají protony a neutrony?Rýže. 1: příliš zjednodušená verze protonů, skládající se pouze ze dvou up kvarků a jednoho down kvarku, a neutronů, skládající se pouze ze dvou down kvarků a jednoho up kvarku
Pro zjednodušení mnoho knih, článků a webových stránek uvádí, že protony se skládají ze tří kvarků (dva up kvarky a jeden down kvark) a kreslí něco jako obr. 1. Neutron je stejný, skládá se pouze z jednoho up a dvou down kvarků. Tento jednoduchý obrázek ilustruje to, čemu věřili někteří vědci, většinou v 60. letech. Brzy se však ukázalo, že tento úhel pohledu byl příliš zjednodušen do té míry, že již není správný.
Ze sofistikovanějších zdrojů informací se dozvíte, že protony jsou tvořeny třemi kvarky (dva nahoře a jeden dole), které drží pohromadě gluony – a může se objevit obrázek podobný obr. 1. 2, kde jsou gluony nakresleny jako pružiny nebo struny držící kvarky. Neutrony jsou stejné, pouze s jedním up kvarkem a dvěma down kvarky.
Rýže. 2: vylepšení Obr. 1 kvůli důrazu na důležitou roli silné jaderné síly, která drží kvarky v protonu
Ne tak moc špatná cesta popisy nukleonů, protože zdůrazňuje důležitou roli silné jaderné interakce, která drží kvarky v protonu na úkor gluonů (stejně jako foton, částice tvořící světlo, je spojen s elektromagnetickou interakcí). Ale to je také matoucí, protože to ve skutečnosti nevysvětluje, co jsou gluony nebo co dělají.
Existují důvody, proč pokračovat a popsat věci tak, jak jsem to udělal já: proton se skládá ze tří kvarků (dva nahoru a jeden dolů), hromady gluonů a hora kvark-antikvarkových párů (většinou up a down kvarky, ale existuje i několik podivných). Všechny létají tam a zpět velmi vysokou rychlostí (přibližující se rychlosti světla); celý tento soubor drží pohromadě silná jaderná síla. To jsem demonstroval na obr. 3. Neutrony jsou opět stejné, ale s jedním up a dvěma down kvarky; Kvark, který změnil svou identitu, je označen šipkou.
Rýže. 3: realističtější, i když stále nedokonalé zobrazení protonů a neutronů
Tyto kvarky, antikvarky a gluony nejen že se divoce řítí sem a tam, ale také na sebe narážejí a proměňují se v sebe prostřednictvím procesů, jako je anihilace částic (při níž se kvark a antikvark stejného typu promění ve dva gluony, nebo naopak versa) nebo absorpce a emise gluonu (ve kterém se kvark a gluon mohou srazit a vytvořit kvark a dva gluony, nebo naopak).
Co mají tyto tři popisy společného:
- Dva up kvarky a down kvark (plus něco jiného) pro proton.
- Neutron má jeden up kvark a dva down kvarky (plus něco dalšího).
- „Něco jiného“ neutronů se shoduje s „něčím jiným“ protonů. To znamená, že nukleony mají stejné „něco jiného“.
- Malý rozdíl v hmotnosti mezi protonem a neutronem je způsoben rozdílem v hmotnostech kvarku down a kvarku up.
- pro top kvarky je elektrický náboj roven 2/3 e (kde e je náboj protonu, -e je náboj elektronu),
- spodní kvarky mají náboj -1/3e,
- gluony mají náboj 0,
- jakýkoli kvark a jeho odpovídající antikvark mají celkový náboj 0 (například kvark antidown má náboj +1/3e, takže kvark down a kvark down budou mít náboj –1/3e +1/3 e = 0),
- celkový elektrický náboj protonu je 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- celkový elektrický náboj neutronu je 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- kolik „něčeho jiného“ je uvnitř nukleonu,
- co to tam dělá
- odkud pochází hmotnost a hmotnostní energie (E = mc 2, energie tam přítomná, i když je částice v klidu) nukleonu.
Rýže. 1 říká, že kvarky jsou v podstatě třetinou nukleonu – podobně jako proton nebo neutron tvoří čtvrtinu jádra helia nebo 1/12 jádra uhlíku. Pokud by byl tento obrázek pravdivý, kvarky v nukleonu by se pohybovaly relativně pomalu (rychlostmi mnohem pomalejšími než světlo) s relativně slabými interakcemi působícími mezi nimi (i když s nějakou mocnou silou, která je drží na místě). Hmotnost kvarku nahoru a dolů by pak byla řádově 0,3 GeV/c 2 , což je asi třetina hmotnosti protonu. Ale tento jednoduchý obraz a myšlenky, které vnucuje, jsou prostě špatné.
Rýže. 3. dává úplně jinou představu o protonu, jako o kotli částic, které se v něm pohybují rychlostí blízkou světlu. Tyto částice se navzájem srážejí a při těchto srážkách jsou některé z nich anihilovány a jiné jsou vytvořeny na jejich místě. Gluony nemají žádnou hmotnost, hmotnosti horních kvarků jsou řádově 0,004 GeV/s 2 a hmotnosti spodních kvarků jsou řádově 0,008 GeV/s 2 - stokrát méně než proton. Odkud pochází energie protonové hmoty, je složitá otázka: část pochází z energie hmotnosti kvarků a antikvarků, část z energie pohybu kvarků, antikvarků a gluonů a část (možná pozitivní, možná negativní ) z energie uložené v silné jaderné interakci, která drží kvarky, antikvarky a gluony pohromadě.
V jistém smyslu Obr. 2 pokusy vyřešit rozdíl mezi Obr. 1 a Obr. 3. Zjednodušuje postavu. 3, odstranění mnoha párů kvark-antikvark, které lze v zásadě nazvat pomíjivými, protože se neustále objevují a mizí a nejsou nutné. Ale budí to dojem, že gluony v nukleonech jsou přímou součástí silné jaderné síly, která drží protony pohromadě. A nevysvětluje, odkud pochází hmotnost protonu.
Na Obr. 1 existuje další nevýhoda, kromě úzkých rámců protonu a neutronu. Nevysvětluje některé vlastnosti jiných hadronů, například pion a mezon rho. Stejné problémy má obr. 2.
Tato omezení vedla k tomu, že dávám svým studentům a na svém webu obrázek z Obr. 3. Chci vás ale upozornit, že má také mnoho omezení, o kterých se budu bavit později.
Stojí za zmínku, že extrémní složitost struktury implikovaná Obr. 3 lze očekávat od objektu drženého pohromadě silou tak mocnou, jako je silná jaderná síla. A ještě jedna věc: tři kvarky (dva nahoře a jeden dole pro proton), které nejsou součástí skupiny párů kvark-antikvark, se často nazývají „valenční kvarky“ a páry kvark-antikvark se nazývají „moře moře“. kvarkové páry“. Takový jazyk je v mnoha případech technicky vhodný. Ale vyvolává to mylný dojem, že kdybyste se mohli podívat dovnitř protonu a podívat se na konkrétní kvark, mohli byste okamžitě říct, zda je součástí moře nebo valenční. To se nedá, takový způsob prostě neexistuje.
Hmotnost protonů a hmotnost neutronů
Vzhledem k tomu, že hmotnosti protonu a neutronu jsou tak podobné a protože se proton a neutron liší pouze v nahrazení up kvarku kvarkem down, zdá se pravděpodobné, že jejich hmotnosti jsou poskytovány stejným způsobem, pocházejí ze stejného zdroje. a jejich rozdíl spočívá v nepatrném rozdílu mezi kvarky up a down . Ale tři výše uvedená čísla naznačují přítomnost tří velmi odlišných pohledů na původ protonové hmoty.Rýže. 1 říká, že kvarky up a down jednoduše tvoří 1/3 hmotnosti protonu a neutronu: řádově 0,313 GeV/c 2 nebo kvůli energii potřebné k udržení kvarků v protonu. A protože rozdíl mezi hmotnostmi protonu a neutronu je zlomek procenta, musí být i rozdíl mezi hmotnostmi kvarku up a down zlomkem procenta.
Rýže. 2 je méně přehledný. Jaká část hmotnosti protonu je způsobena gluony? Ale v zásadě z obrázku vyplývá, že většina protonové hmotnosti stále pochází z hmotnosti kvarků, jako na obr. 1.
Rýže. 3 odráží více jemný přístup k tomu, jak se hmotnost protonu ve skutečnosti jeví (jak si můžeme ověřit přímo počítačovými výpočty protonu, nikoli přímo pomocí jiných matematických metod). Velmi se liší od představ uvedených na obr. 1 a 2, a ukázalo se, že to není tak jednoduché.
Abyste pochopili, jak to funguje, musíte uvažovat nikoli z hlediska hmotnosti protonu m, ale z hlediska jeho hmotnostní energie E = mc 2 , energie spojené s hmotností. Koncepčně správná otázka není „odkud se bere hmotnost protonu m“, načež můžete vypočítat E vynásobením m x c 2 , ale naopak: „odkud pochází energie protonové hmotnosti E“, poté kterou můžete vypočítat hmotnost m vydělením E c 2 .
Je užitečné klasifikovat příspěvky k energii protonové hmoty do tří skupin:
A) Hmotnostní energie (klidová energie) kvarků a antikvarků v ní obsažených (gluony, bezhmotné částice, nepřispívají).
B) Energie pohybu (kinetická energie) kvarků, antikvarků a gluonů.
C) Interakční energie (vazebná energie nebo potenciální energie) uložená v silné jaderné interakci (přesněji v gluonových polích) držící proton.
Rýže. 3 říká, že částice uvnitř protonu se pohybují vysokou rychlostí a že je plný bezhmotných gluonů, takže příspěvek B) je větší než A). Obvykle se ve většině fyzikálních systémů B) a C) ukazují jako srovnatelné, zatímco C) je často záporné. Takže hmotnostní energie protonu (a neutronu) pochází hlavně z kombinace B) a C), přičemž A) přispívá malým zlomkem. Proto se hmotnosti protonu a neutronu objevují hlavně ne kvůli hmotnosti částic, které obsahují, ale kvůli energii pohybu těchto částic a energii jejich interakce spojené s gluonovými poli, která generují síly, které drží proton. Ve většině ostatních nám známých systémů je energetická bilance rozdělena odlišně. Například v atomech a v Sluneční Soustava A) dominuje a B) a C) jsou mnohem menší a srovnatelné co do velikosti.
Abychom to shrnuli, podotýkáme, že:
- Rýže. 1 předpokládá, že energie protonové hmotnosti pochází z příspěvku A).
- Rýže. 2 předpokládá, že oba příspěvky A) a B) jsou důležité, přičemž B) má malý příspěvek.
- Rýže. 3 naznačuje, že B) a C) jsou důležité a příspěvek A) se ukazuje jako nevýznamný.
Pokud Obr. 3 nelže, hmotnosti kvarku a antikvarku jsou velmi malé. jací ve skutečnosti jsou? Hmotnost top kvarku (stejně jako antikvarku) nepřesahuje 0,005 GeV/c 2, což je mnohem méně než 0,313 GeV/c 2, což vyplývá z Obr. 1. (Hmotnost up kvarku je obtížně měřitelná a mění se v důsledku jemných efektů, takže může být mnohem menší než 0,005 GeV/c2). Hmotnost spodního kvarku je přibližně o 0,004 GeV/s 2 větší než hmotnost horního kvarku. To znamená, že hmotnost žádného kvarku nebo antikvarku nepřesahuje jedno procento hmotnosti protonu.
Všimněte si, že to znamená (na rozdíl od obr. 1), že poměr hmotnosti kvarku down k hmotnosti up kvarku se neblíží jednotce! Hmotnost kvarku down je alespoň dvojnásobkem hmotnosti kvarku up. Důvod, proč jsou hmotnosti neutronu a protonu tak podobné, není ten, že by hmotnosti kvarků up a down byly podobné, ale proto, že hmotnosti kvarků up a down jsou velmi malé – a rozdíl mezi nimi je malý, relativní. na hmotnosti protonu a neutronu. Pamatujte, že k přeměně protonu na neutron stačí nahradit jeden z jeho up kvarků down kvarkem (obrázek 3). Tato náhrada stačí k tomu, aby byl neutron o něco těžší než proton a změnil se jeho náboj z +e na 0.
Mimochodem, to, že se různé částice uvnitř protonu navzájem srážejí a neustále se objevují a mizí, nemá vliv na věci, o kterých diskutujeme - energie se při každé srážce zachovává. Hmotnostní energie a energie pohybu kvarků a gluonů se mohou měnit, stejně jako energie jejich vzájemného působení, ale celková energie protonu se nemění, přestože se vše uvnitř neustále mění. Takže hmotnost protonu zůstává konstantní, navzdory jeho vnitřnímu víru.
V tomto okamžiku se můžete zastavit a vstřebat přijaté informace. Úžasný! Prakticky veškerá hmota obsažená v běžné hmotě pochází z hmotnosti nukleonů v atomech. A většina této hmoty pochází z chaosu, který je vlastní protonu a neutronu – z energie pohybu kvarků, gluonů a antikvarků v nukleonech a z energie silných jaderných interakcí, které drží nukleon v celém jeho stavu. Ano: naše planeta, naše těla, náš dech jsou výsledkem takového tichého a donedávna nepředstavitelného pandemona.
A také vytvořit elektronický vzorec. K tomu potřebujete pouze periodický systém chemických prvků D.I. Mendělejev, což je povinný referenční materiál.
Tabulka D.I. Mendělejev je rozdělen do skupin (uspořádaných vertikálně), kterých je celkem osm, a také do období umístěných vodorovně. Každý má svou vlastní pořadovou a relativní atomovou hmotnost, která je uvedena v každé periodické tabulce. Množství protony(p) a elektrony (ē) číselně souhlasí s atomovým číslem prvku. K určení počtu neutrony(n) je nutné odečíst číslo od relativní atomové hmotnosti (Ar) chemický prvek.
Příklad č. 1: Vypočítejte množství protony, elektrony a neutrony atom chemického prvku č. 7. Chemický prvek č. 7 je dusík (N). Nejprve určete množství protony(R). Li sériové číslo 7 znamená, že bude 7 protony. Vzhledem k tomu, že toto číslo se shoduje s počtem záporně nabitých částic, bude k určení počtu také 7 elektronů (ē). neutrony(n) od relativní atomové hmotnosti (Ar (N) = 14) odečtěte atomové číslo dusíku (č. 7). Proto 14 – 7 = 7. V obecný pohled všechny informace vypadají takto: p = +7;ē = -7;n = 14-7 = 7.
Příklad č. 2: Vypočítejte množství protony, elektrony a neutrony atom chemického prvku č. 20. Chemický prvek č. 20 je vápník (Ca). Nejprve určete množství protony(R). Pokud je sériové číslo 20, bude to tedy 20 protony. S vědomím, že toto číslo se shoduje s počtem záporně nabitých částic, bude k určení počtu také 20 elektronů (ē). neutrony(n) od relativní atomové hmotnosti (Ar (Ca) = 40) odečtěte atomové číslo (č. 20). Tedy 40 – 20 = 20. Obecně všechny informace vypadají takto: p = +20;ē = -20;n = 40-20 = 20.
Příklad č. 3: Vypočítejte množství protony, elektrony a neutrony atom chemického prvku č. 33. Chemický prvek č. 33 je arsen (As). Nejprve určete množství protony(R). Pokud je sériové číslo 33, bude to 33. Vzhledem k tomu, že toto číslo se shoduje s počtem záporně nabitých částic, bude k určení počtu také 33 elektronů (ē). neutrony(n) od relativní atomové hmotnosti (Ar (As) = 75) odečtěte atomové číslo dusíku (č. 33). Tedy 75 – 33 = 42. Obecně všechny informace vypadají takto: p = +33;ē = -33;n = 75 -33 = 42.
Poznámka
Relativní atomová hmotnost uvedená v tabulce D.I. Mendělejeve, je nutné zaokrouhlit na nejbližší celé číslo.
Prameny:
- proton a neutrony tvoří odpověď
Baňku dejte stranou, aby vychladla. Stačí jedna a půl až dvě minuty. Jinak se vytvoří nerozpustná sraženina.
Nalijte vodu přes stěnu a opláchněte jí trychtýř. Třepejte do úplného promíchání, v případě potřeby baňku zahřejte.
Sestavte a připevněte přijímač. Do sběrače se vstříkne 10 ml 0,01 N. roztok kyseliny sírové. Naneste jednu nebo dvě kapky methylroth. Po smíchání všech ingrediencí připojte vodní trysku k přijímači.
Po deseti minutách destilaci přerušte. Zavřete kohoutek vodního proudu, otevřete zástrčku přijímače, opláchněte kyselina sírová z konce chladicí trubice. Vyměňte za jiný přijímač se stejným objemem 0,01 N. roztoku kyseliny sírové, proveďte druhou destilaci.
Výkon: 1 ml 0,01 N. kyselina sírová nebo hydroxid sodný odpovídá 0,14 mg.
Rozdíl mezi množstvím kyseliny sírové umístěné v jímači a množstvím hydroxidu sodného odebraným během titrace, vyprodukovaným 0,14 mg, se rovná množství zbytkového dusíku v 1 ml testované krve. Chcete-li zobrazit množství dusíku v -, musíte vynásobit 100.
Mocenství- je schopnost chemických prvků zadržovat určité množství atomy jiných prvků. Zároveň je to počet vazeb, které daný atom tvoří s ostatními atomy. Určení valence je poměrně jednoduché.
Instrukce
Vezměte prosím na vědomí, že valence atomů některých prvků je konstantní, zatímco jiné jsou proměnlivé, to znamená, že mají tendenci se měnit. Například vodík ve všech sloučeninách je monovalentní, protože tvoří pouze jeden. Kyslík je schopen tvořit dvě vazby, přičemž je dvojmocný. Ale y může mít II, IV nebo VI. Vše závisí na prvku, se kterým je spojen. Síra je tedy prvkem s variabilní valence.
Všimněte si, že v molekulách sloučenin vodíku je výpočet mocenství velmi jednoduchý. Vodík je vždy monovalentní a tento indikátor pro prvek s ním spojený se bude rovnat počtu atomů vodíku v dané molekule. Například v CaH2 bude vápník dvojmocný.
Pamatujte na hlavní pravidlo pro stanovení valence: součin valenčního indexu atomu libovolného prvku a počtu jeho atomů v libovolné molekule je součin valenčního indexu atomu druhého prvku a počtu jeho atomů v danou molekulu.
Podívejte se na vzorec písmen pro tuto rovnost: V1 x K1 = V2 x K2, kde V je valence atomů prvků a K je počet atomů v molekule. S jeho pomocí je snadné určit valenční index libovolného prvku, pokud jsou známa zbývající data.
Uvažujme příklad molekuly oxidu sírového SO2. Kyslík ve všech sloučeninách je dvojmocný, proto dosazením hodnot do podílu: Voxygen x Kyslík = Vsíra x Xers, dostaneme: 2 x 2 = Vsíra x 2. Odtud Vsulfur = 4/2 = 2. , valence síry v této molekule je rovna 2.
Video k tématu
Elektron- nejlehčí elektricky nabitá částice, která se podílí téměř na všech elektrických jevech. Díky své nízké hmotnosti se nejvíce podílí na vývoji kvantové mechaniky. Tyto rychlé částice našly široké uplatnění v oboru moderní věda a technologie.
Slovo ἤλεκτρον je řecké. To dalo elektronu jeho jméno. To se překládá jako „jantar“. Řečtí přírodovědci svého času prováděli různé experimenty zahrnující vlnu kousků jantaru, které pak začaly přitahovat různé drobné předměty. Elektron om je název pro záporně nabitou částici, která je jednou ze základních jednotek tvořících strukturu hmoty. Elektron Obaly atomů se skládají z elektronů a jejich poloha a počet určují chemické vlastnosti látky O počtu elektronů v atomech různých látek se můžete dozvědět z tabulky chemických prvků sestavené D.I. Mendělejev. Počet protonů v jádře atomu je vždy roven počtu elektronů, které by měly být v elektronovém obalu atomu dané látky. Elektron Otáčejí se kolem jádra velkou rychlostí, a proto se "" na jádře nevrtají. To je jasně srovnatelné s Měsícem, který nepadá, přestože ho Země přitahuje elementární částice naznačují nedostatek struktury a nedělitelnosti. Pohyb těchto částic v polovodičích umožňuje snadno přenášet a řídit energii. Tato vlastnost je široce používána v elektronice, každodenním životě, průmyslu a komunikacích. Navzdory skutečnosti, že rychlost elektronů ve vodičích je velmi malá, elektrické pole se může šířit rychlostí světla. Díky tomu se okamžitě vytvoří proud v celém obvodu. Elektron Kromě korpuskulárních mají i vlnové vlastnosti. Účastní se gravitačních, slabých a elektromagnetických interakcí. Stabilita elektronu vyplývá ze zákonů zachování energie a náboje. Tato částice je nejlehčí z nabitých, a proto se nemůže na nic rozpadnout. Rozpad na lehčí částice podle zákona zachování náboje a na těžší částice je zakázán zákonem zachování energie. Přesnost, s jakou je splněn zákon zachování náboje, lze posoudit podle toho, že elektron neztrácí náboj po dobu nejméně deseti let.
Video k tématu
Co je to neutron? Jaká je jeho struktura, vlastnosti a funkce? Neutrony jsou největší z částic, které tvoří atomy, stavební kameny veškeré hmoty.
Atomová struktura
Neutrony se nacházejí v jádře, husté oblasti atomu také vyplněné protony (kladně nabité částice). Tyto dva prvky drží pohromadě síla zvaná jaderná. Neutrony mají neutrální náboj. Kladný náboj protonu se shoduje se záporným nábojem elektronu, aby se vytvořil neutrální atom. I když neutrony v jádře neovlivňují náboj atomu, stále mají mnoho vlastností, které atom ovlivňují, včetně úrovně radioaktivity.
Neutrony, izotopy a radioaktivita
Částice, která se nachází v jádře atomu, je neutron, který je o 0,2 % větší než proton. Společně tvoří 99,99 % celkové hmotnosti stejného prvku a mohou mít různý počet neutronů. Když vědci hovoří o atomové hmotnosti, mají na mysli průměrnou atomovou hmotnost. Například uhlík má typicky 6 neutronů a 6 protonů s atomovou hmotností 12, ale někdy se vyskytuje s atomovou hmotností 13 (6 protonů a 7 neutronů). Uhlík s atomovým číslem 14 také existuje, ale je vzácný. Atomová hmotnost uhlíku je tedy v průměru 12,011.
Když mají atomy různý počet neutronů, nazývají se izotopy. Vědci našli způsoby, jak přidat tyto částice do jádra a vytvořit tak větší izotopy. Nyní přidání neutronů neovlivňuje náboj atomu, protože nemají žádný náboj. Zvyšují však radioaktivitu atomu. To může vést k velmi nestabilním atomům, které se mohou vybíjet vysoké úrovně energie.
Co je jádro?
V chemii je jádro kladně nabité centrum atomu, které se skládá z protonů a neutronů. Slovo „kernel“ pochází z latinského nucleus, což je forma slova znamenající „ořech“ nebo „jádro“. Termín byl vytvořen v roce 1844 Michaelem Faradayem k popisu středu atomu. Vědy, které se zabývají studiem jádra, studiem jeho složení a charakteristik, se nazývají jaderná fyzika a jaderná chemie.
Protony a neutrony jsou drženy silné jaderná síla. Elektrony jsou přitahovány k jádru, ale pohybují se tak rychle, že k jejich rotaci dochází v určité vzdálenosti od středu atomu. Jaderný náboj se znaménkem plus pochází z protonů, ale co je to neutron? Jedná se o částici, která nemá elektrický náboj. Téměř veškerá hmotnost atomu je obsažena v jádře, protože protony a neutrony mají mnohem větší hmotnost než elektrony. Počet protonů v atomovém jádru určuje jeho identitu jako prvku. Počet neutronů udává, o jaký izotop prvku se jedná.
Velikost atomového jádra
Jádro je mnohem menší než celkový průměr atomu, protože elektrony mohou být dále od středu. Atom vodíku je 145 000krát větší než jeho jádro a atom uranu je 23 000krát větší než jeho střed. Vodíkové jádro je nejmenší, protože se skládá z jediného protonu.
Uspořádání protonů a neutronů v jádře
Protony a neutrony jsou obvykle zobrazeny jako sbalené dohromady a rovnoměrně rozložené do koulí. Jedná se však o zjednodušení skutečné struktury. Každý nukleon (proton nebo neutron) může zaujímat určitou energetickou hladinu a rozsah umístění. Zatímco jádro může být kulovité, může být také hruškovité, kulovité nebo diskovité.
Jádra protonů a neutronů jsou baryony, které se skládají z těch nejmenších, které se nazývají kvarky. Přitažlivá síla má velmi krátký dosah, takže protony a neutrony musí být velmi blízko u sebe, aby byly vázány. Tato silná přitažlivost překonává přirozené odpuzování nabitých protonů.
Proton, neutron a elektron
Mocným impulsem ve vývoji takové vědy, jako je jaderná fyzika, byl objev neutronu (1932). Měli bychom za to poděkovat anglickému fyzikovi, který byl studentem Rutherforda. Co je to neutron? Jedná se o nestabilní částici, která se ve volném stavu dokáže rozpadnout na proton, elektron a neutrino, tzv. bezhmotnou neutrální částici, za pouhých 15 minut.
Částice dostala své jméno, protože nemá elektrický náboj, je neutrální. Neutrony jsou extrémně husté. V izolovaném stavu bude mít jeden neutron hmotnost pouze 1,67·10 - 27, a pokud vezmete lžičku hustě napěchovanou neutrony, výsledný kus hmoty bude vážit miliony tun.
Počet protonů v jádře prvku se nazývá atomové číslo. Toto číslo dává každému prvku jeho jedinečnou identitu. V atomech některých prvků, např. uhlíku, je počet protonů v jádrech vždy stejný, ale počet neutronů se může lišit. Atom daného prvku s určitým počtem neutronů v jádře se nazývá izotop.
Jsou jednotlivé neutrony nebezpečné?
Co je to neutron? Jedná se o částici, která je spolu s protonem obsažena v. Někdy však mohou existovat samy o sobě. Když jsou neutrony mimo jádra atomů, získávají potenciálně nebezpečné vlastnosti. Když se stěhují s vysoká rychlost, produkují smrtící záření. Tzv neutronové bomby, známé pro svou schopnost zabíjet lidi a zvířata, přičemž mají minimální vliv na neživé fyzické struktury.
Neutrony jsou velmi důležitou součástí atomu. Vysoká hustota těchto částic v kombinaci s jejich rychlostí je dává extrémní destruktivní síla a energie. V důsledku toho mohou změnit nebo dokonce roztrhat jádra atomů, na které narazí. Ačkoli má neutron čistý neutrální elektrický náboj, skládá se z nabitých složek, které se navzájem ruší s ohledem na náboj.
Neutron v atomu je malá částice. Stejně jako protony jsou příliš malé na to, aby je bylo možné vidět i elektronovým mikroskopem, ale jsou tam, protože to je jediný způsob, jak vysvětlit chování atomů. Neutrony jsou velmi důležité pro stabilitu atomu, ale mimo jeho atomové centrum nemohou existovat dlouho a rozpadají se v průměru za pouhých 885 sekund (asi 15 minut).
Úvod
V současnosti existující teorie atomové struktury neodpovídá na mnoho otázek, které vyvstávají během různých praktických a experimentálních prací. Zejména ještě nebyla stanovena fyzikální podstata elektrického odporu. Hledání vysokoteplotní supravodivosti může být úspěšné pouze tehdy, když znáte podstatu elektrického odporu. Když znáte strukturu atomu, můžete pochopit podstatu elektrického odporu. Uvažujme strukturu atomu s přihlédnutím ke známým vlastnostem nábojů a magnetických polí. Planetární model atomu navržený Rutherfordem je nejblíže realitě a odpovídá experimentálním datům. Tento model však odpovídá pouze atomu vodíku.
KAPITOLA PRVNÍ
PROTON A ELEKTRON
1. VODÍK
Vodík je nejmenší z atomů, takže jeho atom musí obsahovat stabilní bázi jak atomu vodíku, tak zbývajících atomů. Atom vodíku má proton a elektron, přičemž elektron rotuje kolem protonu. Předpokládá se, že náboje elektronu a protonu jsou jednotkové náboje, tj. minimální. Myšlenku elektronu jako vírového prstence s proměnným poloměrem představil V.F. Mitkevich (L. 1). Následné práce Wu a některých dalších fyziků ukázaly, že elektron se chová jako rotující vírový prstenec, jehož rotace směřuje podél osy jeho pohybu, tedy experimentálně byla potvrzena skutečnost, že elektron je vírový prstenec. V klidu elektron rotující kolem své osy nevytváří magnetická pole. Pouze při pohybu vytváří elektron magnetické siločáry.
Pokud je náboj protonu rozložen po povrchu, pak se bude rotovat společně s protonem pouze kolem své vlastní osy. V tomto případě, jako u elektronu, náboj protonu nevytvoří magnetické pole.
Experimentálně bylo zjištěno, že proton má magnetické pole. Aby měl proton magnetické pole, musí být jeho náboj ve formě skvrny na jeho povrchu. V tomto případě, když se proton otáčí, jeho náboj se bude pohybovat po kruhu, tj. bude mít lineární rychlost, která je nezbytná k získání magnetického pole protonu.
Kromě elektronu existuje ještě pozitron, který se od elektronu liší pouze tím, že jeho náboj je kladný, to znamená, že náboj pozitronu je znaménkem i velikostí roven náboji protonu. Jinými slovy, kladný náboj protonu je pozitron, ale pozitron je antičástice elektronu, a proto je to vírový prstenec, který se nemůže rozšířit po celém povrchu protonu. Náboj protonu je tedy pozitron.
Při pohybu elektronu se záporným nábojem musí být pozitron protonu vlivem Coulombových sil na povrchu protonu v minimální vzdálenosti od elektronu (obr. 1). Vznikne tak dvojice opačných nábojů, vzájemně propojených maximální Coulombovou silou. Právě proto, že náboj protonu je pozitron, je jeho náboj roven elektronu v absolutní hodnotě. Když celý náboj protonu interaguje s nábojem elektronu, pak neexistuje žádný „extra“ náboj protonu, který by vytvářel elektrické odpudivé síly mezi protony.
Když se elektron pohybuje kolem protonu ve směru znázorněném na obr. 1, kladný náboj se pohybuje synchronně s ním v důsledku Coulombovy síly. Kolem sebe se tvoří pohyblivé náboje magnetické pole(Obr. 1). V tomto případě se kolem elektronu vytvoří magnetické pole proti směru hodinových ručiček a kolem pozitronu se vytvoří magnetické pole ve směru hodinových ručiček. Výsledkem je, že se mezi náboji vytvoří celkové pole ze dvou nábojů, které zabrání „pádu“ elektronu na proton.
Na všech obrázcích jsou protony a neutrony znázorněny jako koule pro zjednodušení ilustrace. Ve skutečnosti by měly být ve formě toroidních vírových útvarů éteru (L. 3).
Atom vodíku tedy vypadá jako na obr. 2 A). Tvar magnetického pole atomu odpovídá magnetu torusovitého tvaru s magnetizací podél osy rotace nábojů (obr. 2 b).
Již v roce 1820 Ampere objevil interakci proudů - přitahování paralelních vodičů s proudem tekoucím stejným směrem. Později bylo experimentálně zjištěno, že stejnojmenné elektrické náboje pohybující se stejným směrem se k sobě přitahují (L. 2).
Efekt sevření také naznačuje, že náboje by se měly k sobě přibližovat, tj. přitahovat se. Pinch effect je efekt samokontrakce výboje, vlastnost kanálu elektrického proudu ve stlačitelném vodivém médiu zmenšit svůj průřez vlivem vlastního magnetického pole generovaného samotným proudem (L. 4).
Protože elektřina- jakýkoli uspořádaný pohyb elektrických nábojů v prostoru, pak trajektorie elektronů a pozitronů a protonů jsou proudové kanály, které se k sobě mohou přibližovat vlivem magnetického pole generovaného samotnými náboji.
V důsledku toho, když se dva atomy vodíku spojí do molekuly, stejnojmenné náboje se spojí do párů a budou dále rotovat ve stejném směru, ale mezi protony, což povede ke sjednocení jejich polí.
K přiblížení elektronů a protonů dochází až do okamžiku, kdy se síla odpuzování podobných nábojů rovná síle přitahující náboje k sobě z dvojitého magnetického pole.
Na Obr. 3 a), b), A PROTI) ukazuje interakci elektronových a protonových nábojů atomů vodíku, když se spojí a vytvoří molekulu vodíku.
Na Obr. Obrázek 4 ukazuje molekulu vodíku s magnetickými siločárami tvořenými generátory pole dvou atomů vodíku. To znamená, že molekula vodíku má jeden generátor duálního pole a jeden společný magnetický tok, 2x větší.
Podívali jsme se na to, jak se vodík spojuje do molekuly, ale molekula vodíku nereaguje s jinými prvky ani po smíchání s kyslíkem.
Nyní se podívejme, jak se molekula vodíku dělí na atomy (obr. 5). Když molekula vodíku interaguje s elektromagnetická vlna elektron získá další energii a tím se elektrony přesunou na orbitální trajektorie (obr. 5 G).
Dnes jsou známy supravodiče, které mají nulový elektrický odpor. Tyto vodiče jsou vyrobeny z atomů a mohou být supravodiče pouze tehdy, jsou-li jejich atomy supravodiče, tedy proton. Levitace supravodiče nad permanentním magnetem je již dlouho známá, způsobená indukcí proudu v něm permanentním magnetem, jehož magnetické pole směřuje k poli permanentního magnetu. Když je vnější pole odstraněno ze supravodiče, proud v něm zmizí. Interakce protonů s elektromagnetickou vlnou vede k indukci vířivých proudů na jejich povrchu. Vzhledem k tomu, že protony jsou umístěny vedle sebe, vířivé proudy směrují magnetická pole k sobě, což zvyšuje proudy a jejich pole, dokud se molekula vodíku nerozbije na atomy (obr. 5 G).
Uvolňování elektronů do orbitálních trajektorií a vznik proudů, které rozbíjejí molekulu, nastávají současně. Když atomy vodíku odletí od sebe, vířivé proudy zmizí a elektrony zůstanou na orbitálních trajektoriích.
Na základě známých fyzikálních efektů jsme tedy získali model atomu vodíku. kde:
1. Kladný a záporný náboj v atomu slouží k vytváření magnetických siločar, které, jak je známo z klasické fyziky, vznikají pouze při pohybu nábojů. Magnetické siločáry určují všechny intraatomické, meziatomové a molekulární vazby.
2. Celý kladný náboj protonu - pozitron - interaguje s nábojem elektronu, vytváří maximální Coulombovu přitažlivou sílu pro elektron a rovnost nábojů v absolutní hodnotě vylučuje, aby proton měl odpudivé síly pro sousední protony.
3. Atom vodíku je v praxi proton-elektronový magnetický generátor (PEMG), který funguje pouze tehdy, když jsou proton a elektron spolu, tj. pár proton-elektron musí být vždy spolu.
4. Při vzniku molekuly vodíku elektrony se párují a rotují spolu mezi atomy, vytváří společné magnetické pole, které je udržuje v páru. Protonové pozitrony se také párují pod vlivem jejich magnetických polí a přitáhnout k sobě protony, čímž vznikne molekula vodíku nebo jakákoli jiná molekula. Párové kladné náboje jsou hlavní určující silou v molekulární vazbě, protože pozitrony jsou přímo spojeny s protony a jsou od protonů neoddělitelné.
5. Molekulární vazby všech prvků se vyskytují podobným způsobem. Spojení atomů do molekul jiných prvků zajišťují valenční protony se svými elektrony, t.j. valenční elektrony se podílejí jak na spojování atomů do molekul, tak na rušení molekulárních vazeb. Každé spojení atomů do molekuly tedy zajišťuje jeden proton-elektronový valenční pár (VPEP) z každého atomu na molekulární vazbu. VPES se vždy skládají z protonu a elektronu.
6. Při přerušení molekulární vazby hlavní role elektron hraje, protože při vstupu na orbitální trajektorii kolem svého protonu vytáhne pozitron protonu z páru umístěného mezi protony k „rovníku“ protonu, čímž zajistí přerušení molekulární vazby.
7. Když se vytvoří molekula vodíku a molekuly dalších prvků, vznikne dvojitý PEMG.
Pojďme se bavit o tom, jak najít protony, neutrony a elektrony. V atomu jsou tři typy elementárních částic, z nichž každá má svůj vlastní elementární náboj a hmotnost.
Struktura jádra
Abyste pochopili, jak najít protony, neutrony a elektrony, představte si, že je to hlavní část atomu. Uvnitř jádra jsou protony a neutrony zvané nukleony. Uvnitř jádra se tyto částice mohou přeměňovat jedna v druhou.
Chcete-li například najít protony, neutrony a elektrony v buňce, potřebujete znát její sériové číslo. Vzhledem k tomu, že právě tento prvek směřuje periodická tabulka, pak jeho jádro obsahuje jeden proton.
Průměr atomového jádra je desetitisícina celkové velikosti atomu. Obsahuje většinu celého atomu. Hmotnost jádra je tisíckrát větší než součet všech elektronů přítomných v atomu.
Charakteristiky částic
Podívejme se, jak najít protony, neutrony a elektrony v atomu, a dozvědět se o jejich vlastnostech. Proton je to, co odpovídá jádru atomu vodíku. Jeho hmotnost přesahuje elektron 1836krát. K určení jednotky elektřiny procházející vodičem o daném průřezu se používá elektrický náboj.
Každý atom má ve svém jádru určitý počet protonů. Je to konstantní hodnota a charakterizuje chemické a fyzikální vlastnosti tohoto prvku.
Jak najít protony, neutrony a elektrony v atomu uhlíku? Atomové číslo tohoto chemického prvku je 6, proto jádro obsahuje šest protonů. Podle planetárního systému se šest elektronů pohybuje po drahách kolem jádra. Abychom určili počet neutronů od hodnoty uhlíku (12), odečteme počet protonů (6), dostaneme šest neutronů.
U atomu železa odpovídá počet protonů 26, to znamená, že tento prvek má 26. atomové číslo v periodické tabulce.
Neutron je elektricky neutrální částice, nestabilní ve volném stavu. Neutron se může spontánně přeměnit na kladně nabitý proton, emitující antineutrino a elektron. Střední období jeho poločas rozpadu je 12 minut. Hmotnostní číslo je celkový počet protonů a neutronů uvnitř jádra atomu. Pokusíme se přijít na to, jak najít protony, neutrony a elektrony v iontu? Pokud atom během chemická interakce s jiným prvkem získává kladný oxidační stav, počet protonů a neutronů v něm se nemění, pouze elektronů ubývá.
Závěr
Existovalo několik teorií o struktuře atomu, ale žádná z nich nebyla životaschopná. Před verzí vytvořenou Rutherfordem neexistovalo žádné podrobné vysvětlení umístění protonů a neutronů uvnitř jádra, stejně jako rotace elektronů na kruhových drahách. Po vzniku teorie planetární struktury atomu měli vědci možnost nejen určit počet elementárních částic v atomu, ale také předpovídat fyzikální a Chemické vlastnosti specifický chemický prvek.