Электрон нейтрон протон заряды. Строение атомного ядра (протон, нейтрон, электрон)

Состав ядра атома. Расчет протонов и нейтронов

Согласно современным представлениям, атом состоит из ядра и расположенных вокруг него электронов. Ядро атома, в свою очередь, состоит из более малых элементарных частиц ‒ из определенного количества протонов и нейтронов (общепринятое название для которых – нуклоны), связанных между собой ядерными силами.

Количество протонов в ядре определяет строение электронной оболочки атома. А электронная оболочка определяет физико-химические свойства вещества. Число протонов соответствует порядковому номеру атома в периодической системе химических элементов Менделеева, именуется также зарядовое число, атомный номер, атомное число. Например, число протонов у атома Гелия – 2. В периодической таблице он стоит под номером 2 и обозначается как He 2 Символом для обозначения количества протонов служит латинская буква Z. При записи формул зачастую цифра, указывающая на количество протонов, располагается снизу от символа элемента либо справа, либо слева: He 2 / 2 He.

Количество нейтронов соответствует определённому изотопу того или иного элемента. Изотопы – это элементы с одинаковым атомным номером (одинаковым количеством протонов и электронов), но с разным массовым числом. Массовое число – общее количество нейтронов и протонов в ядре атома (обозначается латинской буквой А). При записи формул массовое число указывается вверху символа элемента с одной из сторон: He 4 2 / 4 2 He (Изотоп Гелия – Гелий - 4)

Таким образом, чтобы узнать число нейтронов в том или ином изотопе, следует от общего массового числа отнять число протонов. Например, нам известно, что в атоме Гелия-4 He 4 2 cодержится 4 элементарные частицы, так как массовое число изотопа – 4 . При этом нам известно, что He 4 2 меет 2 протона. Отняв от 4 (общее массовое число) 2 (кол-во протонов) получаем 2 – количество нейтронов в ядре Гелия-4.

ПРОЦЕСС РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРЕ АТОМА. В качестве примера мы не случайно рассмотрели Гелий-4 (He 4 2), ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку ядро Гелия-4, именуемое альфа-частицей (α-частица) обладает наибольшей эффективностью в ядерных реакциях, его часто используют для экспериментов в этом направлении. Стоит отметить, что в формулах ядерных реакций зачастую вместо He 4 2 используется символ α.

Именно с участием альфа-частиц была проведена Э. Резерфордом первая в официальной истории физики реакция ядерного превращения. В ходе реакции α-частицами (He 4 2) «бомбардировались» ядра изотопа азота (N 14 7), вследствие чего образовался изотоп оксигена (O 17 8) и один протон (p 1 1)

Данная ядерная реакция выглядит следующим образом:

Осуществим расчёт количества фантомных частичек По до и после данного преобразования.

ДЛЯ РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО НЕОБХОДИМО:
Шаг 1. Посчитать количество нейтронов и протонов в каждом ядре:
- количество протонов указано в нижнем показателе;
- количество нейтронов узнаем, отняв от общего массового числа (верхний показатель) количество протонов (нижний показатель).

Шаг 2. Посчитать количество фантомных частичек По в атомном ядре:
- умножить количество протонов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 протоне;
- умножить количество нейтронов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 нейтроне;

Шаг 3. Сложить количество фантомных частичек По:
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах до реакции;
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах после реакции;
- сравнить количество фантомных частичек По до реакции с количеством фантомных частичек По после реакции.

ПРИМЕР РАЗВЁРНУТОГО ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРАХ АТОМОВ.
(Ядерная реакция с участием α-частицы (He 4 2), провёденная Э. Резерфордом в 1919 году)

ДО РЕАКЦИИ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7

Количество протонов: 7
Количество нейтронов: 14-7 = 7
в 1 протоне – 12 По, значит в 7 протонах: (12 х 7) = 84;
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 7 нейтронах: (33 х 7) = 231;
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 84+231 = 315

He 4 2
Количество протонов – 2
Количество нейтронов 4-2 = 2
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 2 протонах: (12 х 2) = 24
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 2 нейтронах: (33 х 2) = 66
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 24+66 = 90

Итого, количество фантомных частичек По до реакции

N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405

ПОСЛЕ РЕАКЦИИ (O 17 8) и один протон (p 1 1):
O 17 8
Количество протонов: 8
Количество нейтронов: 17-8 = 9
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 8 протонах: (12 х 8) = 96
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 9 нейтронах: (9 х 33) = 297
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 96+297 = 393

p 1 1
Количество протонов: 1
Количество нейтронов: 1-1=0
Количество фантомных частичек По:
В 1 протоне – 12 По
Нейтроны отсутствуют.
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 12

Итого, количество фантомных частичек По после реакции
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405

Сравним количество фантомных частичек По до и после реакции:

ПРИМЕР СОКРАЩЁННОЙ ФОРМЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ.

Известной ядерной реакцией является реакция взаимодействия α-частиц с изотопом бериллия, прикоторой впервые был обнаружен нейтрон, проявивший себя как самостоятельная частица в результате ядерного преобразования. Данная реакция была осуществлена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком. Формула реакции:

213 + 90 → 270 + 33 - количество фантомных частичек По в каждом из ядер

303 = 303 - общая сумма фантомных частичек По до и после реакции

Количества фантомных частичек По до и после реакции равны.

Введение

Существующая в настоящее время теория строения атома не дает ответа на многие вопросы, возникающие при проведении различных практических и экспериментальных работ. В частности, до сих пор не определена физическая сущность электрического сопротивления. Поиск высокотемпературной сверхпроводимости может быть успешным только если знать суть электрического сопротивления. Зная строение атома, можно понять суть электрического сопротивления. Рассмотрим строение атома с учетом известных свойств зарядов и магнитных полей. Наиболее близка к реальности и отвечает экспериментальным данным планетарная модель атома, предложенная Резерфордом. Однако эта модель соответствует только атому водорода.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ПРОТОН И ЭЛЕКТРОН

1. ВОДОРОД

Водород является наименьшим из атомов, поэтому его атом должен содержать стабильную основу как атома водорода, так и остальных атомов. Атом водорода — протон и электрон, при этом электрон вращается вокруг протона. Считается, что заряды электрона и протона — единичные заряды, т. е. минимальные. Представление об электроне как о вихревом кольце с переменным радиусом было введено В. Ф. Миткевичем (Л. 1). Последующие работы Ву и некоторых других физиков показали, что электрон ведет себя подобно вращающемуся вихревому кольцу, спин которого направлен вдоль оси его движения, т. е. то, что электрон — вихревое кольцо, было подтверждено экспериментально. В состоянии покоя электрон, вращаясь вокруг своей оси, магнитных полей не создает. Только при движении электрон образует магнитные силовые линии.

Если заряд протона распределен по поверхности, то, вращаясь вместе с протоном, он будет вращаться вокруг только своей собственной оси. В этом случае, как и электрон, заряд протона не будет образовывать магнитное поле.

Экспериментально установлено, что протон имеет магнитное поле. Для того чтобы протон имел магнитное поле, его заряд должен быть в виде пятна на его поверхности. В этом случае при вращении протона его заряд будет двигаться по окружности, т. е. иметь линейную скорость, что необходимо для получения магнитного поля протона.

Кроме электрона существует и позитрон, отличающийся от электрона только тем, что заряд у него положительный, т. е. заряд позитрона равен заряду протона и по знаку, и по величине. Иными словами, положительный заряд протона есть позитрон, но позитрон — античастица электрона и, следовательно, — вихревое кольцо, которое не может растекаться по всей поверхности протона. Таким образом, заряд протона — позитрон.

При движении электрона, имеющего отрицательный заряд, позитрон протона под действием кулоновских сил должен находиться на поверхности протона на минимальном расстоянии от электрона (Рис. 1). Таким образом, образуется пара противоположных зарядов, связанных между собой максимальной кулоновской силой. Именно потому, что заряд протона — позитрон, его заряд равен электрону по абсолютной величине. Когда весь заряд протона взаимодействует с зарядом электрона, то и нет «лишнего» заряда протона, который бы создавал электрические отталкивающие силы между протонами.

При движении электрона вокруг протона в направлении, указанном на рис. 1, положительный заряд двигается синхронно с ним благодаря кулоновской силе. Движущиеся заряды образуют вокруг себя магнитные поля (Рис. 1). При этом вокруг электрона образуется магнитное поле против часовой стрелки, а вокруг позитрона — магнитное поле по часовой стрелке. В результате между зарядами образуется суммарное поле от двух зарядов, которое препятствует «падению» электрона на протон.

На всех рисунках протоны и нейтроны изображены в виде шаров для упрощения изображения. В действительности они должны быть в виде тороидальных вихревых образований эфира (Л. 3).

Таким образом, атом водорода имеет вид согласно рис. 2 а ). Форма магнитного поля у атома соответствует торообразному магниту с намагниченностью по оси вращения зарядов (Рис. 2 б ).

Еще в 1820 г. Ампер открыл взаимодействие токов — притяжение параллельных проводников с током, текущим в одном направлении. Позднее экспериментально определили, что одноимённые электрические заряды, двигаясь в одном направлении, притягиваются друг к другу (Л. 2).

О том, что заряды должны сближаться, т. е. притягиваться друг к другу, свидетельствует и пинч-эффект. Пинч-эффект — это эффект самостягивания разряда, свойство электрического токового канала в сжимаемой проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля (Л. 4).

Так как электрический ток — всякое упорядоченное движение электрических зарядов в пространстве, то траектории электронов и позитронов протонов — это токовые каналы, способные сближаться под действием магнитного поля, порождаемого самими зарядами.

Следовательно, при соединении двух атомов водорода в молекулу одноимённые заряды объединятся в пары и будут продолжать вращение в том же направлении, но уже между протонами, что приведёт к объединению их полей.

Сближение электронов и протонов происходит до момента, когда сила отталкивания одноимённых зарядов станет равной силе, стягивающей заряды от двойного магнитного поля.

На рис. 3 а), б), и в) показано взаимодействие зарядов электрона и протона атомов водорода при соединении их в молекулу водорода.

На рис. 4 изображена молекула водорода с магнитными силовыми линиями, образованными генераторами полей двух атомов водорода. Т. е. молекула водорода имеет один сдвоенный генератор поля и общий магнитный поток, больший в 2 раза.

Мы рассмотрели, как происходит соединение водорода в молекулу, но молекула водорода с другими элементами в реакцию не вступает даже в смеси с кислородом.

Теперь рассмотрим, как происходит разделение молекулы водорода на атомы (Рис. 5). При взаимодействии молекулы водорода с электромагнитной волной электрон приобретает дополнительную энергию, и это выводит электроны на орбитальные траектории (Рис. 5 г ).

Сегодня известны сверхпроводники, которые имеют нулевое электрическое сопротивление. Эти проводники состоят из атомов и могут быть сверхпроводниками только в том случае, если их атомы — сверхпроводники, т. е. и протон тоже. Давно известна левитация сверхпроводника над постоянным магнитом, обусловленная наведением постоянным магнитом в нем тока, магнитное поле которого направлено навстречу полю постоянного магнита. При снятии внешнего поля со сверхпроводника ток в нём исчезает. Взаимодействие протонов с электромагнитной волной приводит к тому, что на их поверхностях наводятся вихревые токи. Так как протоны расположены рядом друг с другом, вихревые токи направляют магнитные поля навстречу друг другу, что увеличивает токи и их поля до разрыва молекулы водорода на атомы (Рис. 5 г ).

Выход электронов на орбитальные траектории и возникновение токов, разрывающих молекулу, происходят одновременно. При отлёте атомов водорода друг от друга вихревые токи исчезают, а электроны остаются на орбитальных траекториях.

Таким образом, на основе известных физических эффектов мы получили модель атома водорода. При этом:

1. Положительные и отрицательные заряды в атоме служат для получения силовых линий магнитных полей, которые, как известно из классической физики, образуются только при движении зарядов. Силовые линии магнитных полей и определяют все внутриатомные, межатомные и молекулярные связи.

2. Весь положительный заряд протона — позитрон — взаимодействует с зарядом электрона, создаёт максимальную кулоновскую силу притяжения для электрона, а равенство зарядов по абсолютной величине исключает у протона наличие отталкивающих сил для соседних протонов.

3. Практически атом водорода представляет собой протонно-электронный магнитный генератор (ПЭМГ), который работает только тогда, когда протон и электрон вместе, т. е. протонно-электронная пара должна быть всегда вместе.

4. При образовании молекулы водорода электроны соединяются в пару и вращаются вместе между атомами, создавая общее магнитное поле, которое удерживает их в паре. Позитроны протонов также соединяются в пару под действием своих магнитных полей и стягивают протоны, образуя молекулу водорода или любую другую молекулу. Соединённые в пару положительные заряды являются главной определяющей силой в молекулярной связи, т. к. позитроны связаны с протонами непосредственно и неотделимы от протонов.

5. Молекулярные связи всех элементов происходят аналогичным образом. Соединение атомов в молекулы других элементов обеспечивается валентными протонами со своими электронами, т. е. валентные электроны участвуют как в соединении атомов в молекулы, так и в разрыве молекулярных связей. Таким образом, каждое соединение атомов в молекулу обеспечивается по одной валентной паре протона с электроном (ВППЭ) от каждого атома на одну молекулярную связь. ВППЭ всегда состоят из протона и электрона.

6. При разрыве молекулярной связи главную роль играет электрон, т. к., выходя на орбитальную траекторию вокруг своего протона, он выдёргивает позитрон протона из пары, находящейся между протонами, на «экватор» протона, обеспечивая этим разрыв молекулярной связи.

7. При образовании молекулы водорода и молекул других элементов образуется двойной ПЭМГ.

Инструкция

Протон представляет собой положительно с массой превышающей в 1836 раз массу . Электрический совпадает по модулю с зарядом электрона, а значит, заряд протона равен 1,6*10 ^ (-19) Кулон. Ядра разных атомов содержат разное число . К примеру, в ядре атома водорода только один , а в ядре атома золота – семьдесят девять. Число протонов в ядре совпадает с порядковым номером данного элемента в таблице Д.И. Менделеева. Поэтому для того, чтобы определить число протонов в ядре , нужно взять таблицу Менделеева, найти в ней нужный элемент. Указанное вверху целое число является порядковым номером элемента - это и есть число протонов в ядре. Пример1. Пусть нужно определить число протонов в ядре атома полония. Найдите в таблице Менделеева химический , он расположен под номером 84, значит в его ядре находится 84 протона.

Интересно, что количество протонов в ядре совпадает с числом электронов, движущихся вокруг ядра. То есть число электронов элемента определяется так же, как и число протонов – порядковым номером элемента. Пример 2. Если полония - 84, то в нем 84 протона (в ядре) и столько же - 84 электронов.

Нейтрон представляет собой незаряженную частицу с массой, которая больше массы электрона в 1839 раз. Помимо порядкового номера, в периодической таблице химических элементов для каждого вещества указано еще одно число, которое, если его округлить, показывает общее количество частиц (протонов и нейтронов ) в атомном ядре. Это число называется массовым числом. Для определения количества нейтронов в ядре нужно вычесть из массового числа количество протонов . Пример 3. Количество протонов в полония – 84. Его массовое число равно 210, значит, для определения числа нейтронов найдите разность массового числа и порядкового номера: 210 – 84 = 126.

Атом химического элемента состоит из атомного ядра и электронов. В состав атомного ядра входят два типа частиц - протоны и нейтроны. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, так как протоны и нейтроны намного тяжелее электронов.

Вам понадобится

• атомный номер элемента, изотопы

Инструкция

В отличие от протонов, нейтроны не имеют электрического заряда, то есть их равен нулю. Поэтому, зная атомный номер элемента, нельзя однозначно сказать, сколько нейтронов содержится в его ядре. К примеру в ядре атома всегда содержится 6 протонов, однако протонов в нем может быть 6 и 7. Разновидности ядер химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре изотопами этого элемента. Изотопы могут быть как природными, так и полученными искусственно.

Ядра атомов обозначают буквенным символом химического элемента из таблицы Менделеева. Справа от символа вверху и внизу стоят два числа. Верхнее число A - это массовое число атома. A = Z+N, где Z - заряд ядра (), а N - число нейтронов. Нижнее число - это Z - заряд ядра. Такая запись дает информацию о количестве нейтронов в ядре. Очевидно, что оно равно N = A-Z.

У разных одного химического элемента число A меняется, что можно увидеть в записи этого изотопа. Определенные изотопы имеют свои оригинальные . Например, обычное ядро не имеет нейтронов и имеет один протон. Изотоп водорода дейтерий имеет один нейтрон (A = 2, цифра 2 сверху, 1 снизу), а изотоп тритий - два нейтрона (A = 3, цифра 3 сверху, 1 снизу).

Зависимость числа нейтронов от числа протонов отражена на так называемой N-Z диаграмме атомных ядер. Устойчивость ядер зависит от отношения числа нейтронов и числа протонов. Ядра нуклидов наиболее устойчивы при N/Z = 1, то есть при равенстве количества нейтронов и протонов. С ростом массового числа область устойчивости сдвигается к величинам N/Z>1, достигая величины N/Z ~ 1,5 для наиболее тяжелых ядер.

Видео по теме

Источники:

• Строение атомного ядра в 2019
• как найти количество нейтронов в 2019

Чтобы найти количество протонов в атоме, определите его место в таблице Менделеева. Найдите его порядковый номер в периодической таблице. Он будет равен количеству протонов в атомном ядре. Если исследуется изотоп, посмотрите на пару чисел, описывающие его свойства, нижнее число будет равно количеству протонов. В том случае, если известен заряд атомного ядра, можно узнать количество протонов, поделив его значение на заряд одного протона.

Вам понадобится

• Для того чтобы найти количество протонов, узнайте значение заряда протона или электрона, возьмите таблицу изотопов, периодическую таблицу Менделеева.

Инструкция

Определение количества протонов известного атома.В том случае, когда известно, какой атом исследуется, найдите его расположение в . Определите его номер в этой таблице, найдя ячейку соответствующего элемента. В данной ячейке найдите порядковый номер элемента, который соответствует изучаемому атому. Этот порядковый номер и будет соответствовать количеству протонов в атомном ядре.

Как найти в изотопе.Многие атомы имеют изотопы, отличающиеся ядер. Именно поэтому только лишь массы ядра недостаточно для однозначного определения атомного ядра. При описании изотопа перед записью его химического обозначения всегда записывается пара чисел. Верхнее число показывает массу атома в атомных единицах массы, а нижнее заряд ядра. Каждая единица заряда ядра в такой записи соответствует одному протону. Таким образом, количество протонов равно нижнему числу в записи данного изотопа.

Как найти протоны, зная заряд ядра.Часто атома зарядом его ядра. Для того чтобы определить количество протонов в нем, необходимо перевести его в кулоны (если он подан в кратных единицах). Затем поделите заряд ядра на модуль . Это связано с тем, что поскольку атом электрически нейтрален, то количество протонов в нем равно количеству . Причем заряды их равны по модулю и противоположны по знаку (протон имеет положительный заряд, электрон – отрицательный). Поэтому заряд ядра атома поделите на число 1,6022 10^(-19) кулон. В результате получится количество протонов. Поскольку измерения заряда атома недостаточно точны, в том случае, если при делении получилось число, округлите его до целого.

Видео по теме

Источники:

• протонное число в 2019

Атомы состоят из субатомных частиц - протонов, нейтронов и электронов. Протоны представляют собой положительно заряженные частицы, которые находятся в центре атома, в его ядре. Вычислить число протонов изотопа можно по атомному номеру соответствующего химического элемента.

Модель атома

Для описания свойств атома и его структуры используется модель, известная под названием «Модель атома по Бору». В соответствии с ней структура атома напоминает солнечную систему - тяжелый центр (ядро) находится в центре, а более легкие частицы движутся по орбите вокруг него. Нейтроны и протоны образуют положительно заряженное ядро, а отрицательно заряженные электроны движутся вокруг центра, притягиваясь к нему электростатическими силами.

Элементом называют вещество, состоящее из атомов одного типа, он определяется числом протонов в каждом из них. Элементу присваивают свое имя и символ, например, водород (H) или кислород (О). Химические свойства элемента зависят от числа электронов и, соответственно, числа протонов, содержащихся в атомах. Химические характеристики атома не зависят от числа нейтронов, так как не имеют электрического заряда. Однако их число влияет на стабильность ядра, изменяя общую массу атома.

Изотопы и число протонов

Изотопами называют атомы отдельных элементов с различным числом нейтронов. Данные атомы химически идентичным, однако обладают разной массой, также они отличаются своей способностью испускать излучение.

Атомный номер (Z) - это порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, он определяется числом протонов в ядре. Каждый атом характеризуется атомным номером и массовым числом (А), которое равно суммарному числу протонов и нейтронов в ядре.

Элемент может иметь атомы с различным числом нейтронов, но количество протонов остается неизменным и равно числу электронов нейтрального атома. Для того, чтобы определить, сколько протонов содержится в ядре изотопа, достаточно посмотреть на его атомный номер. Число протонов равно номеру соответствующего химического элемента в периодической таблице Менделеева.

Примеры

В качестве примера можно рассмотреть изотопы водорода. В природе

Протон -- стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.

Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906--1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах?-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами -- глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия -- протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами (от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (?, ?, ?, ?) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число -- барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 -- для антибарионов и О -- для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной (~ 2*1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030 протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.

Нейтрон -- нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в сильных электрических полях, показавшими, что |qn| <10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.

Нейтроны устойчивы лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон -- нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ?14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.

По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует mn ~ 1,6-10-24.Нейтрон участвует во всех видах фундаментальных взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия -- бета-распад нейтрона.

Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного электрического момента нейтрона, для которого была получена верхняя граница. Здесь самые эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института ядерной физики АН СССР; поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.

Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.

Сейчас принята условная классификация нейтронов по их кинетической энергии:

медленные нейтроны (<105эВ, есть много их разновидностей),

быстрые нейтроны (105?108эВ), высокоэнергичные (> 108эВ).

Весьма интересными свойствами обладают очень медленные нейтроны(10-7эВ), которые получили название ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении. С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стенок и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Это позволяет проводить многие тонкие эксперименты по изучению свойств нейтронов. Другой метод хранения ультрахолодных нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., и первые результаты были получены в Дубне в институте ядерных исследований спустя почти десятилетие.

Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.

Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.

• Перевод

В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.

Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:

• 0,93827 ГэВ/с 2 у протона,
• 0,93957 ГэВ/с 2 у нейтрона.

Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.

Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.

Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые , но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье "Что такое протон, и что у него внутри? ", что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.

Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от "квантовая хромодинамика ". Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:

• У простых уравнений могут оказаться очень сложные решения,
• Иногда невозможно описать сложные решения простым способом.

Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.

Первый уровень понимания

Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего

Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.

Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.

Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне

Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.

Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в : протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.

Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов

Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).

Что у этих трёх описаний общего:

• Два верхних кварка и нижний кварк (плюс что-то ещё) у протона.
• Один верхний кварк и два нижних кварка (плюс ещё что-то) у нейтрона.
• «Ещё что-то» у нейтронов совпадает с «ещё чем-то» у протонов. То есть, у нуклонов «ещё что-то» одинаковое.
• Небольшая разница в массе у протона и нейтрона появляется из-за разницы масс нижнего кварка и верхнего кварка.

• у верхних кварков электрический заряд равен 2/3 e (где e – заряд протона, -e – заряд электрона),
• у нижних кварков заряд равен -1/3e,
• у глюонов заряд 0,
• у любого кварка и соответствующего ему антикварка общий заряд равен 0 (к примеру, у антинижнего кварка заряд +1/3e, так что у нижнего кварка и нижнего антикварка заряд будет –1/3 e +1/3 e = 0),

• общий электрический заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• общий электрический заряд нейтрона 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

• сколько «ещё чего-то» внутри нуклона,
• что оно там делает,
• откуда берутся масса и энергия массы (E = mc 2 , энергия, присутствующая там, даже когда частица покоится) нуклона.

Рис. 1 говорит о том, что кварки, по сути, представляют собой треть нуклона – примерно так, как протон или нейтрон представляют четверть ядра гелия или 1/12 ядра углерода. Если бы этот рисунок был правдив, кварки в нуклоне двигались бы относительно медленно (со скоростями гораздо меньшими световой) с относительно слабыми взаимодействиями, действующими между ними (хотя и при наличии некоей мощной силы, удерживающей их на месте). Масса кварка, верхнего и нижнего, составляла бы тогда порядка 0,3 ГэВ/с 2 , примерно треть массы протона. Но это простое изображение и навязываемые им идеи просто неверны.

Рис. 3. даёт совершенно другое представление о протоне, как о котле частиц, снующих в нём со скоростями, близкими к световой. Эти частицы сталкиваются друг с другом, и в этих столкновениях некоторые из них аннигилируют, а другие создаются на их месте. Глюоны не имеют массы, массы верхних кварков составляют порядка 0,004 ГэВ/с 2 , а нижних – порядка 0,008 ГэВ/с 2 - в сотни раз меньше протона. Откуда берётся энергия массы протона, вопрос сложный: часть её идёт от энергии массы кварков и антикварков, часть – от энергии движения кварков, антикварков и глюонов, а часть (возможно, положительная, возможно, отрицательная) из энергии, хранящейся в сильном ядерном взаимодействии, удерживающем кварки, антикварки и глюоны вместе.

В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.

У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона . Те же проблемы есть и у рис. 2.

Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.

Стоит отметить, что чрезвычайную сложность строения, подразумеваемая рис. 3, стоило ожидать от объекта, который удерживает вместе такая мощная сила, как сильное ядерное взаимодействие. И ещё одно: три кварка (два верхних и один нижний у протона), не являющиеся частью группы пар кварков-антикварков, часто называют «валентными кварками», а пары кварков-антикварков – «морем кварковых пар». Такой язык во многих случаях технически удобен. Но он даёт ложное впечатление того, что если бы вы смогли заглянуть внутрь протона, и посмотрели на определённый кварк, вы сразу смогли бы сказать, является ли он частью моря или валентным. Этого сделать нельзя, такого способа просто нет.

Масса протона и масса нейтрона

Рис. 1 говорит о том, что верхний и нижний кварки просто составляют по 1/3 от массы протона и нейтрона: порядка 0,313 ГэВ/с 2 , или из-за энергии, необходимой для удержания кварков в протоне. И поскольку разница между массами протона и нейтрона составляет долю процента, разница между массами верхнего и нижнего кварка тоже должна составлять долю процента.

Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.

Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.

Чтобы понять, как это работает, нужно думать не в терминах массы m протона, но в терминах его энергии массы E = mc 2 , энергии, связанной с массой. Концептуально правильным вопросом будет не «откуда взялась масса протона m», после которого вы можете подсчитать E, умножив m на c 2 , а наоборот: «откуда берётся энергия массы протона E», после которого можно подсчитать массу m, разделив E на c 2 .

Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:

А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.

Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.

Подводя итоги, укажем, что:

• Рис. 1 предполагает, что энергия массы протона происходит из вклада А).
• Рис. 2 предполагает, что важны оба вклада А) и В), и немного своей доли вносит Б).
• Рис. 3 предполагает, что важны Б) и В), а вклад А) оказывается незначительным.

Если рис. 3 не врёт, массы кварка и антикварка очень малы. Какие они на самом деле? Масса верхнего кварка (как и антикварка) не превышает 0,005 ГэВ/с 2 , что гораздо меньше, чем 0,313 ГэВ/с 2 , который следует из рис. 1. (Массу верхнего кварка тяжело измерить, и это значение меняется из-за тонких эффектов, так что она может оказаться гораздо меньшей, чем 0,005 ГэВ/с 2). Масса нижнего кварка примерно на 0,004 ГэВ/с 2 больше массы верхнего. Это значит, что масса любого кварка или антикварка не превышает одного процента массы протона.

Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.

Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.

На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.