Kas ir neitrons? Kāda ir tā struktūra, īpašības un funkcijas? Neitroni ir lielākās daļiņas, kas veido atomus, visu vielu celtniecības bloki.
Atomu struktūra
Neitroni ir atrodami kodolā, blīvā atoma apgabalā, kas arī piepildīts ar protoniem (pozitīvi lādētām daļiņām). Šos divus elementus satur kopā spēks, ko sauc par kodolu. Neitroniem ir neitrāls lādiņš. Protona pozitīvais lādiņš tiek saskaņots ar elektrona negatīvo lādiņu, lai izveidotu neitrālu atomu. Pat ja neitroni kodolā neietekmē atoma lādiņu, tiem joprojām ir daudzas īpašības, kas ietekmē atomu, tostarp radioaktivitātes līmenis.
Neitroni, izotopi un radioaktivitāte
Daļiņa, kas atrodas atoma kodolā, ir neitrons, kas ir par 0,2% lielāks par protonu. Kopā tie veido 99,99% no viena un tā paša elementa kopējās masas, un tiem var būt atšķirīgs neitronu skaits. Kad zinātnieki atsaucas uz atomu masu, viņi domā vidējo atomu masu. Piemēram, ogleklim parasti ir 6 neitroni un 6 protoni ar atomu masu 12, bet dažreiz tas ir atrodams ar atomu masu 13 (6 protoni un 7 neitroni). Ir arī ogleklis ar atomu skaitu 14, taču tas ir reti sastopams. Tātad, atomu masa oglekļa vidējiem rādītājiem līdz 12.011.
Ja atomos ir atšķirīgs neitronu skaits, tos sauc par izotopiem. Zinātnieki ir atraduši veidus, kā šīs daļiņas pievienot kodolam, lai radītu lielākus izotopus. Tagad neitronu pievienošana neietekmē atoma lādiņu, jo tiem nav lādiņa. Tomēr tie palielina atoma radioaktivitāti. Tas var izraisīt ļoti nestabilus atomus, kas var izlādēties augstu līmeni enerģiju.
Kas ir kodols?
Ķīmijā kodols ir pozitīvi lādēts atoma centrs, kas sastāv no protoniem un neitroniem. Vārds "kodolis" cēlies no latīņu valodas kodola, kas ir vārda forma, kas nozīmē "rieksts" vai "kodolis". Šo terminu 1844. gadā ieviesa Maikls Faradejs, lai aprakstītu atoma centru. Tiek sauktas zinātnes, kas saistītas ar kodola izpēti, tā sastāva un īpašību izpēti kodolfizika un kodolķīmija.
Protonus un neitronus satur kopā spēcīgais kodolspēks. Elektroni tiek piesaistīti kodolam, bet pārvietojas tik ātri, ka to rotācija notiek zināmā attālumā no atoma centra. Kodollādiņš ar plus zīmi nāk no protoniem, bet kas ir neitrons? Šī ir daļiņa, kurai nav elektriskā lādiņa. Gandrīz viss atoma svars ir ietverts kodolā, jo protoniem un neitroniem ir daudz lielāka masa nekā elektroniem. Protonu skaits atoma kodolā nosaka tā kā elementa identitāti. Neitronu skaits norāda, kurš elementa izotops ir atoms.
Atomu kodola izmērs
Kodols ir daudz mazāks par atoma kopējo diametru, jo elektroni var atrasties tālāk no centra. Ūdeņraža atoms ir 145 000 reižu lielāks par tā kodolu, un urāna atoms ir 23 000 reižu lielāks par tā centru. Ūdeņraža kodols ir mazākais, jo tas sastāv no viena protona.
Protonu un neitronu izvietojums kodolā
Protons un neitroni parasti tiek attēloti kā iesaiņoti kopā un vienmērīgi sadalīti sfērās. Tomēr tas ir faktiskās struktūras vienkāršojums. Katrs nuklons (protons vai neitrons) var aizņemt noteiktu enerģijas līmeni un vietu diapazonu. Lai gan kodols var būt sfērisks, tas var būt arī bumbierveida, sfērisks vai diska formas.
Protonu un neitronu kodoli ir barioni, kas sastāv no mazākajiem kodoliem, ko sauc par kvarkiem. Pievilcības spēkam ir ļoti mazs diapazons, tāpēc protoniem un neitroniem jābūt ļoti tuvu viens otram, lai tie būtu saistīti. Šī spēcīgā pievilcība pārvar lādētu protonu dabisko atgrūšanu.
Protons, neitrons un elektrons
Spēcīgs stimuls tādas zinātnes attīstībā kā kodolfizika, bija neitrona atklāšana (1932). Mums par to jāpateicas angļu fiziķim, kurš bija Raterforda students. Kas ir neitrons? Šī ir nestabila daļiņa, kas brīvā stāvoklī var sadalīties protonā, elektronā un neitrīno, tā sauktajā bezmasas neitrālajā daļiņā, tikai 15 minūtēs.
Daļiņa iegūst savu nosaukumu, jo tai nav elektriskā lādiņa, tā ir neitrāla. Neitroni ir ārkārtīgi blīvi. Izolētā stāvoklī viena neitrona masa būs tikai 1,67·10–27, un, ja paņemat tējkaroti, kas ir blīvi pildīta ar neitroniem, iegūtais vielas gabals svērs miljoniem tonnu.
Protonu skaitu elementa kodolā sauc par atomskaitli. Šis skaitlis katram elementam piešķir unikālo identitāti. Dažu elementu atomos, piemēram, oglekļa, protonu skaits kodolos vienmēr ir vienāds, bet neitronu skaits var atšķirties. Dotā elementa atomu ar noteiktu neitronu skaitu kodolā sauc par izotopu.
Vai atsevišķi neitroni ir bīstami?
Kas ir neitrons? Šī ir daļiņa, kas kopā ar protonu ir iekļauta Tomēr dažreiz tās var pastāvēt atsevišķi. Kad neitroni atrodas ārpus atomu kodoliem, tie iegūst potenciālu bīstamas īpašības. Kad tie pārvietojas lielā ātrumā, tie rada nāvējošu starojumu. Tā sauktās neitronu bumbas, kas pazīstamas ar spēju nogalināt cilvēkus un dzīvniekus, tomēr tām ir minimāla ietekme uz nedzīvām fiziskām struktūrām.
Neitroni ir ļoti svarīga atoma daļa. Liels blīvumsŠīs daļiņas apvienojumā ar ātrumu dod tām ārkārtēju iznīcinošu spēku un enerģiju. Tā rezultātā tie var mainīt vai pat saplēst to atomu kodolus, uz kuriem tie saskaras. Lai gan neitronam ir tīrais neitrāls elektriskais lādiņš, tas sastāv no uzlādētiem komponentiem, kas atceļ viens otru attiecībā uz lādiņu.
Neitrons atomā ir niecīga daļiņa. Tāpat kā protoni, tie ir pārāk mazi, lai pat ar tiem būtu redzami elektronu mikroskops, bet tie ir tur, jo tas ir vienīgais veids, kā izskaidrot atomu uzvedību. Neitroni ir ļoti svarīgi atoma stabilitātei, taču ārpus tā atoma centra tie nevar pastāvēt ilgi un sadalās vidēji tikai 885 sekundēs (apmēram 15 minūtēs).
Pirmā nodaļa. STABILU KODOLU ĪPAŠĪBAS
Iepriekš jau tika teikts, ka kodols sastāv no protoniem un neitroniem, kurus saista kodolspēki. Ja mēs izmērām kodola masu atomu masas vienībās, tai vajadzētu būt tuvu protona masai, kas reizināta ar veselu skaitli, ko sauc par masas skaitli. Ja kodola lādiņš ir masas skaitlis, tas nozīmē, ka kodolā ir protoni un neitroni. (Neitronu skaitu kodolā parasti apzīmē ar
Šīs kodola īpašības ir atspoguļotas simboliskā apzīmējumā, kas tiks izmantota vēlāk formā
kur X ir tā elementa nosaukums, pie kura atoma pieder kodols (piemēram, kodoli: hēlijs - , skābeklis - , dzelzs - urāns
Stabilu kodolu galvenie raksturlielumi ir: lādiņš, masa, rādiuss, mehāniskie un magnētiskie momenti, spektrs satraukti stāvokļi, paritāte un kvadrupole moments. Radioaktīvos (nestabīlos) kodolus papildus raksturo to kalpošanas laiks, radioaktīvo pārveidojumu veids, emitēto daļiņu enerģija un vairākas citas īpašas īpašības, kas tiks aplūkotas turpmāk.
Vispirms apskatīsim elementārdaļiņu, kas veido kodolu: protonu un neitronu, īpašības.
§ 1. PROTONA UN NEITRONA PAMATRAKSTUROJI
Svars. Elektronu masas vienībās: protonu masa, neitronu masa.
Atomu masas vienībās: protonu masa, neitronu masa
Enerģijas vienībās protona miera masa ir neitrona miera masa.
Elektriskais lādiņš. q ir parametrs, kas raksturo daļiņas mijiedarbību ar elektrisko lauku, izteikts elektronu lādiņa vienībās kur
Visas elementārdaļiņas nes elektrības daudzumu, kas vienāds ar 0 vai Protona lādiņš Neitrona lādiņš ir nulle.
Spin. Protona un neitrona spini ir vienādi. Abas daļiņas ir fermioni un ievēro Fermi-Diraka statistiku un līdz ar to arī Pauli principu.
Magnētiskais moments. Ja protonu masu aizstājam formulā (10), kas nosaka elektrona magnētisko momentu, nevis elektrona masu, iegūstam
Daudzumu sauc par kodolmagnetonu. Pēc analoģijas ar elektronu varētu pieņemt, ka protona griešanās magnētiskais moments ir vienāds ar Tomēr pieredze rāda, ka paša protona magnētiskais moments ir lielāks nekā kodola magnetona: saskaņā ar mūsdienu datiem
Turklāt izrādījās, ka neuzlādētai daļiņai - neitronam - ir arī magnētiskais moments, kas atšķiras no nulles un ir vienāds ar
Magnētiskā momenta klātbūtne neitronā utt liela nozīme protona magnētiskais moments ir pretrunā pieņēmumiem par šo daļiņu punktveida raksturu. Vairāki eksperimentāli dati, kas iegūti pēdējie gadi, norāda, ka gan protonam, gan neitronam ir sarežģīta nehomogēna struktūra. Neitrona centrā ir pozitīvs lādiņš, bet perifērijā - negatīvs lādiņš, kas vienāds ar lielumu, kas sadalīts daļiņas tilpumā. Bet tā kā magnētisko momentu nosaka ne tikai plūstošās strāvas lielums, bet arī tās aptvertais laukums, tad to radītie magnētiskie momenti nebūs vienādi. Tāpēc neitronam var būt magnētisks moments, vienlaikus saglabājot neitrālu.
Nukleonu savstarpējās transformācijas. Neitrona masa ir par 0,14% lielāka nekā protona masa vai 2,5 reizes lielāka par elektrona masu,
Brīvā stāvoklī neitrons sadalās protonā, elektronā un antineitrīnā: tā vidējais kalpošanas laiks ir gandrīz 17 minūtes.
Protons ir stabila daļiņa. Tomēr kodola iekšpusē tas var pārvērsties par neitronu; šajā gadījumā reakcija notiek saskaņā ar shēmu
Daļiņu masas atšķirības kreisajā un labajā pusē tiek kompensētas ar enerģiju, ko protonam piešķir citi kodola nukleoni.
Protonam un neitronam ir vienādi spini, gandrīz vienādas masas un tie var pārveidoties viens otrā. Vēlāk tiks parādīts, ka arī kodolspēki, kas darbojas starp šīm daļiņām pa pāriem, ir identiski. Tāpēc tos sauc par vispārpieņemtu nosaukumu - nukleons un viņi saka, ka nukleons var būt divos stāvokļos: protons un neitrons, kas atšķiras pēc to attiecības ar elektromagnētisko lauku.
Neitroni un protoni mijiedarbojas, jo pastāv kodolspēki, kas pēc būtības nav elektriski. Kodolspēki ir parādā savu izcelsmi mezonu apmaiņai. Ja mēs attēlosim protona un zemas enerģijas neitrona mijiedarbības potenciālās enerģijas atkarību no attāluma starp tiem, tad tas aptuveni izskatīsies kā diagramma, kas parādīta attēlā. 5, a, t.i., tam ir potenciāla akas forma.
Rīsi. 5. Potenciālās mijiedarbības enerģijas atkarība no attāluma starp nukleoniem: a - neitronu-neitronu vai neitronu-protonu pāriem; b - protonu-protonu pārim
1. lapa
Neitrona lādiņš ir nulle. Līdz ar to neitroniem nav nozīmes atoma kodola lādiņa daudzumā. Arī hroma sērijas numurs ir vienāds ar to pašu vērtību.
Protona lādiņš ir qp e Neitrona lādiņš ir nulle.
Ir viegli redzēt, ka šajā gadījumā neitrona lādiņš ir nulle, bet protona lādiņš ir 1, kā paredzēts. Mēs iegūstam visus barionus, kas ietilpst divās ģimenēs - astoņās un desmit. Mezoni sastāv no kvarka un antikvarka. Līnija apzīmē senlietas; to elektriskais lādiņš pēc zīmes atšķiras no atbilstošā kvarka lādiņa. Pī mezons neietver dīvainu kvarku, kā jau teicām, ir daļiņas ar dīvainību un spinu, kas vienāda ar nulli.
Tā kā protona lādiņš ir vienāds ar elektrona lādiņu un neitrona lādiņš ir vienāds ar lodi, tad, ja izslēdzat spēcīgo mijiedarbību, protona mijiedarbība ar elektromagnētiskais lauks Un tā būtu parastā Diraka daļiņas mijiedarbība - Yp / V. Neitronam nebūtu elektromagnētiskas mijiedarbības.
Apzīmējumi: 67 - lādiņa atšķirība starp elektronu un protonu; q - neitronu lādiņš; qg ir elektronu lādiņa absolūtā vērtība.
Kodols sastāv no pozitīvi lādētām elementārdaļiņām – protoniem un bezlādiņa neitroniem.
Pamats modernas idejas Vielas uzbūves pamatā ir apgalvojums par vielas atomu esamību, kas sastāv no pozitīvi lādētiem protoniem un neuzlādētiem neitroniem, kas veido pozitīvi lādētu kodolu, un negatīvi lādētiem elektroniem, kas rotē ap kodolu. Elektronu enerģijas līmeņi saskaņā ar šo teoriju pēc būtības ir diskrēti, un papildu enerģijas zudums vai iegūšana ar tiem tiek uzskatīta par pāreju no viena atļautā enerģijas līmeņa uz citu. Šajā gadījumā elektronisko enerģijas līmeņu diskrētais raksturs izraisa tādu pašu diskrētu enerģijas absorbciju vai emisiju no elektrona, pārejot no viena enerģijas līmeņa uz citu.
Mēs pieņēmām, ka atoma vai molekulas lādiņu pilnībā nosaka skalārā summa q Z (q Nqn, kur Z ir elektronu-protonu pāru skaits, (q qp - qe ir starpība starp elektrona un a lādiņiem). protons, A ir neitronu skaits, un qn ir neitrona lādiņš.
Kodola lādiņu nosaka tikai protonu skaits Z, un tā masas skaitlis A sakrīt ar kopējo protonu un neitronu skaitu. Tā kā neitrona lādiņš ir nulle, saskaņā ar Kulona likumu starp diviem neitroniem vai starp protonu un neitronu nav elektriskās mijiedarbības. Tajā pašā laikā starp diviem protoniem darbojas elektrisks atgrūšanas spēks.
Turklāt mērījumu precizitātes robežās nekad nav fiksēts neviens sadursmes process, kurā nebūtu ievērots lādiņa nezūdamības likums. Piemēram, neitronu neelastība vienmērīgos elektriskajos laukos ļauj uzskatīt neitrona lādiņu par vienādu ar nulli ar precizitāti 1 (elektronu lādiņa H7.
Mēs jau teicām, ka protona magnētiskā momenta atšķirība no viena kodola magnetona ir pārsteidzošs rezultāts. Vēl pārsteidzošāk (Šķiet, ka neitronā ir magnētisks moments, kuram nav lādiņa.
Ir viegli pārbaudīt, vai šos spēkus nevar reducēt uz kādu no spēku veidiem, kas tika apspriesti iepriekšējās fizikas kursa daļās. Faktiski, ja pieņemam, piemēram, ka gravitācijas spēki darbojas starp nukleoniem kodolos, tad no zināmajām protonu un neitronu masām ir viegli aprēķināt, ka saistīšanās enerģija uz vienu daļiņu būs niecīga – tā būs 1036 reizes mazāka. nekā eksperimentāli novērotais. Pazūd arī pieņēmums par kodolspēku elektrisko raksturu. Patiešām, šajā gadījumā nav iespējams iedomāties stabilu kodolu, kas sastāv no viena uzlādēta protona un bez neitronu lādiņa.
Spēcīgā saite, kas pastāv starp nukleoniem kodolā, norāda uz īpašu, tā saukto kodolspēku klātbūtni atomu kodolos. Ir viegli pārbaudīt, vai šos spēkus nevar reducēt uz kādu no spēku veidiem, kas tika apspriesti iepriekšējās fizikas kursa daļās. Faktiski, ja pieņemam, piemēram, ka gravitācijas spēki darbojas starp nukleoniem kodolos, tad no zināmajām protonu un neitronu masām ir viegli aprēķināt, ka saistīšanās enerģija uz vienu daļiņu būs niecīga – tā būs 1038 reizes mazāka. nekā eksperimentāli novērotais. Pazūd arī pieņēmums par kodolspēku elektrisko raksturu. Patiešām, šajā gadījumā nav iespējams iedomāties stabilu kodolu, kas sastāv no viena uzlādēta protona un bez neitronu lādiņa.
→Daudzi no skolas laikiem labi zina, ka visas vielas sastāv no atomiem. Atomi, savukārt, sastāv no protoniem un neitroniem, kas veido atomu un elektronu kodolu, kas atrodas kādā attālumā no kodola. Daudzi arī dzirdējuši, ka gaisma sastāv arī no daļiņām – fotoniem. Tomēr daļiņu pasaule ar to neaprobežojas. Līdz šim ir zināmas vairāk nekā 400 dažādas elementārdaļiņas. Mēģināsim saprast, kā elementārdaļiņas atšķiras viena no otras.
Ir daudz parametru, pēc kuriem elementārdaļiņas var atšķirt vienu no otras:
- Svars.
- Elektriskais lādiņš.
- Mūžs. Gandrīz visām elementārdaļiņām ir ierobežots kalpošanas laiks, pēc kura tās sadalās.
- Spin. To ļoti aptuveni var uzskatīt par rotācijas momentu.
Vēl daži parametri vai kā tos parasti sauc kvantu skaitļu zinātnē. Šiem parametriem ne vienmēr ir skaidra fiziska nozīme, bet tie ir nepieciešami, lai atšķirtu dažas daļiņas no citām. Visi šie papildu parametri tiek ieviesti kā daži daudzumi, kas tiek saglabāti mijiedarbībā.
Gandrīz visām daļiņām ir masa, izņemot fotonus un neitrīno (saskaņā ar jaunākajiem datiem neitrīno masa ir, bet tik maza, ka to bieži uzskata par nulli). Bez masas daļiņas var pastāvēt tikai kustībā. Visām daļiņām ir atšķirīga masa. Elektronam ir vismazākā masa, neskaitot neitrīno. Daļiņām, ko sauc par mezoniem, ir 300-400 reižu lielāka masa nekā elektrona masa, protons un neitrons ir gandrīz 2000 reižu smagāki par elektronu. Tagad ir atklātas daļiņas, kas ir gandrīz 100 reizes smagākas par protonu. Masa (vai tās enerģijas ekvivalents saskaņā ar Einšteina formulu:
tiek saglabāta visās elementārdaļiņu mijiedarbībās.
Ne visām daļiņām ir elektriskais lādiņš, kas nozīmē, ka ne visas daļiņas spēj piedalīties elektromagnētiskajā mijiedarbībā. Visām brīvi esošajām daļiņām ir elektriskais lādiņš, kas ir daudzkārtējs elektronu lādiņam. Papildus brīvi esošām daļiņām ir arī daļiņas, kas ir tikai saistītā stāvoklī, par tām mēs runāsim nedaudz vēlāk.
Spins, tāpat kā citi kvantu skaitļi, dažādām daļiņām ir atšķirīgs un raksturo to unikalitāti. Daži kvantu skaitļi tiek saglabāti dažās mijiedarbībās, daži citās. Visi šie kvantu skaitļi nosaka, kuras daļiņas ar kurām un kā mijiedarbojas. 
Dzīves laiks arī ir ļoti svarīga īpašība daļiņas, un mēs to apsvērsim sīkāk. Sāksim ar piezīmi. Kā jau teicām raksta sākumā, viss, kas mūs ieskauj, sastāv no atomiem (elektroniem, protoniem un neitroniem) un gaismas (fotoniem). Kur tad vēl simtiem? dažādi veidi elementārdaļiņas. Atbilde ir vienkārša – visur mums apkārt, bet mēs to nepamanām divu iemeslu dēļ.
Pirmais no tiem ir tāds, ka gandrīz visas pārējās daļiņas dzīvo ļoti īsi, aptuveni 10 līdz mīnus 10 sekundes vai mazāk, un tāpēc neveido tādas struktūras kā atomi, kristāla režģi utt. Otrs iemesls attiecas uz neitrīniem, lai gan šīs daļiņas nesadalās, tās ir pakļautas tikai vājai un gravitācijas mijiedarbībai. Tas nozīmē, ka šīs daļiņas mijiedarbojas tik maz, ka tās ir gandrīz neiespējami atklāt.
Ļaujiet mums vizualizēt, cik labi daļiņa mijiedarbojas. Piemēram, elektronu plūsmu var apturēt ar diezgan plānu tērauda loksni, kas ir aptuveni daži milimetri. Tas notiks tāpēc, ka elektroni nekavējoties sāks mijiedarboties ar tērauda loksnes daļiņām, krasi mainīs virzienu, izstaros fotonus un līdz ar to diezgan ātri zaudēs enerģiju. Neitrīno plūsmas gadījumā tie var iziet cauri Zemei gandrīz bez mijiedarbības. Un tāpēc tos ir ļoti grūti atklāt.
Tātad lielākā daļa daļiņu dzīvo ļoti īsu laiku, pēc tam tas sadalās. Daļiņu sabrukšana ir visizplatītākās reakcijas. Sabrukšanas rezultātā viena daļiņa sadalās vairākās citās mazākas masas, un tās, savukārt, sadalās tālāk. Visi sabrukumi pakļaujas noteiktiem noteikumiem - saglabāšanas likumiem. Tātad, piemēram, sabrukšanas rezultātā ir jāsaglabā elektriskais lādiņš, masa, spins un vairāki citi kvantu skaitļi. Daži kvantu skaitļi var mainīties sabrukšanas laikā, bet arī saskaņā ar noteiktiem noteikumiem. Tieši sabrukšanas noteikumi mums saka, ka elektrons un protons ir stabilas daļiņas. Viņi vairs nevar sabrukt, ievērojot sabrukšanas noteikumus, un tāpēc tie ir tie, kas pārtrauc sabrukšanas ķēdes.
Šeit es gribētu teikt dažus vārdus par neitronu. Arī brīvais neitrons aptuveni 15 minūšu laikā sadalās par protonu un elektronu. Tomēr tas nenotiek, kad neitrons atrodas atoma kodolā. Šo faktu var izskaidrot Dažādi ceļi. Piemēram, kad atoma kodolā parādās elektrons un papildu protons no sabrukušā neitrona, uzreiz notiek reversā reakcija – viens no protoniem absorbē elektronu un pārvēršas par neitronu. Šo attēlu sauc par dinamisko līdzsvaru. Tas tika novērots Visumā gada agrīnā stadijā tās attīstība neilgi pēc lielā sprādziena.
Papildus sabrukšanas reakcijām pastāv arī izkliedes reakcijas - kad divas vai vairākas daļiņas mijiedarbojas vienlaicīgi, un rezultātā tiek iegūta viena vai vairākas citas daļiņas. Ir arī absorbcijas reakcijas, kad divas vai vairākas daļiņas rada vienu. Visas reakcijas notiek spēcīgas vājas vai elektromagnētiskas mijiedarbības rezultātā. Reakcijas spēcīgas mijiedarbības dēļ ir visātrākās šādas reakcijas laiks var sasniegt 10 mīnus 20 sekundes. Reakciju ātrums, kas rodas elektromagnētiskās mijiedarbības dēļ, šeit var būt aptuveni 10 mīnus 8 sekundes. Vājai mijiedarbības reakcijai laiks var sasniegt desmitiem sekunžu un dažreiz pat gadus.
Stāsta par daļiņām beigās parunāsim par kvarkiem. Kvarki ir elementārdaļiņas, kuru elektriskais lādiņš ir daudzkārtējs trešdaļai no elektrona lādiņa un kas nevar pastāvēt brīvā stāvoklī. Viņu mijiedarbība ir sakārtota tā, ka viņi var dzīvot tikai kā daļa no kaut kā. Piemēram, trīs noteikta veida kvarku kombinācija veido protonu. Cita kombinācija rada neitronu. Pavisam zināmi 6 kvarki. To dažādās kombinācijas dod mums dažādas daļiņas, un, lai gan ne visas kvarku kombinācijas pieļauj fizikālie likumi, ir diezgan daudz daļiņu, kas sastāv no kvarkiem.
Šeit var rasties jautājums: kā protonu var saukt par elementāru, ja tas sastāv no kvarkiem? Tas ir ļoti vienkārši - protons ir elementārs, jo to nevar sadalīt tā sastāvdaļās - kvarkos. Visas daļiņas, kas piedalās spēcīgajā mijiedarbībā, sastāv no kvarkiem un tajā pašā laikā ir elementāras.
Izpratne par elementārdaļiņu mijiedarbību ir ļoti svarīga, lai izprastu Visuma uzbūvi. Viss, kas notiek ar makroķermeņiem, ir daļiņu mijiedarbības rezultāts. Tā ir daļiņu mijiedarbība, kas raksturo koku augšanu uz zemes, reakcijas zvaigžņu iekšienē, neitronu zvaigžņu starojumu un daudz ko citu.
| Varbūtības un kvantu mehānika | > |
Protons ir stabila daļiņa no hadronu klases, ūdeņraža atoma kodola.
Grūti pateikt, kurš notikums būtu jāuzskata par protona atklāšanu: galu galā kā ūdeņraža jons tas ir zināms jau ilgu laiku. E. Rezerforda (1911) atoma planetārā modeļa izveide, izotopu atklāšana (F. Sodijs, Dž. Tomsons, F. Astons, 1906-1919) un ūdeņraža kodolu novērošana, ko no kodoliem izsita ārā alfa daļiņām bija nozīme protonu slāpekļa atklāšanā (E. Rutherford, 1919). 1925. gadā P. Blekets saņēma pirmās fotogrāfijas ar protonu pēdām mākoņu kamerā (skat. Kodolstarojumu detektori), kas apstiprina elementu mākslīgās transformācijas atklāšanu. Šajos eksperimentos β-daļiņu notvēra slāpekļa kodols, kas emitēja protonu un tika pārveidots par skābekļa izotopu.
Kopā ar neitroniem protoni veido visu atomu kodolus ķīmiskie elementi, un protonu skaits kodolā nosaka dotā elementa atomskaitli. Protonam ir pozitīvs elektriskais lādiņš, kas vienāds ar elementāro lādiņu, t.i., elektrona lādiņa absolūto vērtību. Tas ir eksperimentāli pārbaudīts ar precizitāti 10-21. Protonu masa mp = (938,2796 ± 0,0027) MeV jeb ~ 1,6-10-24 g, t.i., protons ir 1836 reizes smagāks par elektronu! AR mūsdienu punkts Skatoties no perspektīvas, protons nav īsta elementārdaļiņa: tas sastāv no diviem u-kvarkiem ar elektriskajiem lādiņiem +2/3 (elementārā lādiņa vienībās) un viena d-kvarka ar elektrisko lādiņu -1/3. Kvarki ir savstarpēji saistīti, apmainoties ar citām hipotētiskām daļiņām - gluoniem, lauka kvantiem, kas nes spēcīgu mijiedarbību. Dati no eksperimentiem, kuros tika ņemti vērā elektronu izkliedes procesi uz protoniem, patiešām liecina par punktu izkliedes centru klātbūtni protonos. Šie eksperimenti savā ziņā ir ļoti līdzīgi Rezerforda eksperimentiem, kuru rezultātā tika atklāts atoma kodols. Tā kā protons ir saliktas daļiņas, tam ir galīgie izmēri~ 10-13 cm, lai gan, protams, to nevar attēlot kā cieta bumba. Protons drīzāk atgādina mākoni ar neskaidru robežu, kas sastāv no izveidotām un iznīcinātām virtuālajām daļiņām. Protons, tāpat kā visi hadroni, piedalās katrā no fundamentālajām mijiedarbībām. Tātad. spēcīga mijiedarbība saista protonus un neitronus kodolos, elektromagnētiskā mijiedarbība saista protonus un elektronus atomos. Vājas mijiedarbības piemēri ir neitrona beta sabrukšana vai protona intranukleāra transformācija neitronā ar pozitrona un neitrīno emisiju (brīvam protonam šāds process nav iespējams enerģijas nezūdamības un pārveidošanas likuma dēļ, jo neitronam ir nedaudz lielāka masa). Protonu spins ir 1/2. Hadronus ar pusvesela skaitļa griešanos sauc par barioniem (no grieķu vārda, kas nozīmē "smags"). Barioni ietver protonu, neitronu, dažādus hiperonus (?, ?, ?, ?) un vairākas daļiņas ar jauniem kvantu skaitļiem, no kuriem lielākā daļa vēl nav atklāti. Barionu raksturošanai tika ieviests īpašs skaitlis - barionu lādiņš, kas vienāds ar 1 barioniem, - 1 antibarioniem un O - visām pārējām daļiņām. Bariona lādiņš nav bariona lauka avots, tas tika ieviests tikai, lai aprakstītu modeļus, kas novēroti reakcijās ar daļiņām. Šie modeļi ir izteikti kā barionu lādiņa saglabāšanas likums: atšķirība starp barionu un antibarionu skaitu sistēmā tiek saglabāta jebkurās reakcijās. Bariona lādiņa saglabāšanās neļauj protonam sabrukt, jo tas ir vieglākais no barioniem. Šim likumam ir empīrisks raksturs, un tas, protams, ir jāpārbauda eksperimentāli. Bariona lādiņa nezūdamības likuma precizitāti raksturo protona stabilitāte, kura ekspluatācijas ilguma eksperimentālā aplēse dod vērtību, kas nav mazāka par 1032 gadiem.
Tajā pašā laikā teorijas, kas apvieno visu veidu fundamentālās mijiedarbības, paredz procesus, kas izraisa bariona lādiņa pārtraukšanu un protona sabrukšanu. Protona kalpošanas laiks šādās teorijās nav ļoti precīzi norādīts: aptuveni 1032 ± 2 gadi. Šis laiks ir milzīgs, tas ir daudzkārt ilgāks par Visuma pastāvēšanu (~ 2*1010 gadi). Tāpēc protons ir praktiski stabils, kas padarīja iespējamu ķīmisko elementu veidošanos un galu galā saprātīgas dzīvības rašanos. Tomēr protonu sabrukšanas meklēšana tagad ir viena no svarīgākajām problēmām eksperimentālajā fizikā. Ar protonu kalpošanas laiku ~ 1032 gadi 100 m3 ūdens tilpumā (1 m3 satur ~ 1030 protonus) gadā ir paredzama viena protonu sabrukšana. Atliek tikai reģistrēt šo pagrimumu. Protonu sabrukšanas atklāšana būs svarīgs solis Uz pareiza izpratne dabas spēku vienotība.
Neitrons ir neitrāla daļiņa, kas pieder hadronu klasei. 1932. gadā atklāja angļu fiziķis Dž.Čadviks. Kopā ar protoniem neitroni ir daļa no atomu kodoli. Neitrona qn elektriskais lādiņš ir nulle. To apstiprina tiešie lādiņa mērījumi no neitronu stara novirzes spēcīgos elektriskos laukos, kas parādīja, ka |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.
Neitroni ir stabili tikai stabilos atomu kodolos. Brīvais neitrons ir nestabila daļiņa, kas sadalās protonā (p), elektronā (e-) un elektronu antineitrīnā. Neitronu kalpošanas laiks ir (917?14) s, t.i., apmēram 15 minūtes. Vielā neitroni brīvā formā pastāv vēl mazāk, jo kodoli tos spēcīgi absorbē. Tāpēc tie rodas dabā vai tiek ražoti laboratorijā tikai kodolreakciju rezultātā.
Pamatojoties uz dažādu kodolreakciju enerģijas bilanci, tika noteikta neitrona un protona masu starpība: mn-mp(1,29344 ±0,00007) MeV. Salīdzinot to ar protonu masu, iegūstam neitronu masu: mn = 939,5731 ± 0,0027 MeV; tas atbilst mn ~ 1.6-10-24. Neitrons piedalās visu veidu fundamentālajās mijiedarbībās. Spēcīga mijiedarbība saista neitronus un protonus atomu kodolos. Vājas mijiedarbības piemērs ir neitrona beta sabrukšana.
Vai šī neitrālā daļiņa piedalās elektromagnētiskajā mijiedarbībā? Neitronam ir iekšēja struktūra, un ar vispārēju neitralitāti tajā ir elektriskās strāvas, kas jo īpaši izraisa magnētiskā momenta parādīšanos neitronā. Citiem vārdiem sakot, magnētiskajā laukā neitrons uzvedas kā kompasa adata. Šis ir tikai viens tās elektromagnētiskās mijiedarbības piemērs. Lielu interesi izpelnījās neitrona elektriskā dipola momenta meklēšana, kuram tika iegūta augšējā robeža. Šeit visefektīvākos eksperimentus veica PSRS Zinātņu akadēmijas Ļeņingradas Kodolfizikas institūta zinātnieki; Neitronu dipola momenta meklēšana ir svarīga, lai izprastu invariances pārkāpuma mehānismus laika maiņas laikā mikroprocesos.
Neitronu gravitācijas mijiedarbība tika novērota tieši no to sastopamības Zemes gravitācijas laukā.
Tagad tiek pieņemta parastā neitronu klasifikācija pēc to kinētiskās enerģijas:
lēnie neitroni (<105эВ, есть много их разновидностей),
ātri neitroni (105?108eV), augstas enerģijas (> 108eV).
Ļoti lēniem neitroniem (10-7 eV), kurus sauc par īpaši aukstiem neitroniem, ir ļoti interesantas īpašības. Izrādījās, ka ultraaukstos neitronus var uzkrāt “magnētiskajos slazdos” un to spinus tur pat var orientēt noteiktā virzienā. Izmantojot īpašas konfigurācijas magnētiskos laukus, īpaši aukstie neitroni tiek izolēti no absorbējošām sienām un var “dzīvot” slazdā, līdz tie sabrūk. Tas ļauj veikt daudzus smalkus eksperimentus, lai izpētītu neitronu īpašības. Vēl viena ļoti aukstu neitronu uzglabāšanas metode ir balstīta uz to viļņu īpašībām. Šādus neitronus var vienkārši uzglabāt slēgtā “burkā”. Šo ideju 50. gadu beigās izteica padomju fiziķis Ja B. Zeldovičs, un pirmie rezultāti tika iegūti Dubnā Kodolpētniecības institūtā gandrīz desmit gadus vēlāk.
Nesen zinātniekiem izdevās uzbūvēt trauku, kurā ultraaukstie neitroni dzīvo līdz to dabiskajai sabrukšanai.
Brīvie neitroni spēj aktīvi mijiedarboties ar atomu kodoliem, izraisot kodolreakcijas. Lēnu neitronu mijiedarbības ar vielu rezultātā var novērot rezonanses efektus, difrakcijas izkliedi kristālos u.c. Šo īpašību dēļ neitroni tiek plaši izmantoti kodolfizikā un cietvielu fizikā. Tiem ir svarīga loma kodolenerģētikā, transurāna elementu un radioaktīvo izotopu ražošanā, un tiem ir praktisks pielietojums ķīmiskajā analīzē un ģeoloģiskajā izpētē.
Notiek ielāde...