Protonii și neutronii - fizica la școală
Protonii și neutronii
Proton - un miez dintr-un atom de hidrogen, cel mai ușor element chimic care ocupă în tabelul D. I. Mendeleev primul loc, și în conformitate cu aceasta având în învelișul de electroni este doar un electron. Dacă ioniza atomul de hidrogen, care este, scoate un singur electron, acesta rămâne miezul care se datorează lipsei de coajă poate fi numit nucleu „goale“, și care va fi doar un proton (de la cuvântul grecesc „protos“ - primul).
Proton - încărcat pozitiv de particule, iar taxa în mărime exact egală cu sarcina electronului. masa de protoni este exprimat în numărul 1,6-10 -24gramma. Acest lucru înseamnă că masa de mii de milioane de protoni din cele 10 de mii de ori mai puțin decât unu la sută milionime dintr-un miligram. Totuși, această „particule elementare“ se referă la categoria de „grele“, deoarece masa sa este de 1836.6 ori masa electronului. dimensiuni foarte mici și protoni: diametru 100 la mii de ori mai mic decât diametrul atomului de aproximativ o sută de milioane de centimetru. Ca rezultat, densitatea de protoni a materiei, în ciuda greutății sale neglijabilă, este enormă. În cazul în care cubul cu muchia de 1 milimetru a reușit să umple aceste particule, astfel încât acestea sunt ocupate complet întregul volum, atinge reciproc, atunci cubul va cântări 120.000 de tone! Desigur, de fapt, să efectueze astfel de experiment este imposibilă. Protonii, în timp ce particule ca-taxat resping reciproc și au nevoie de puterea extraordinară pentru a le aduce mai aproape împreună. Cu toate acestea, există stele în care există condiții favorabile pentru o abordare relativ aproape de protoni unul de altul. Aceste stele (de exemplu, bai stele - Maanen în constelația Peștilor) au o densitate extrem de mare a materialului, deși este, desigur, de un milion de ori mai mică decât în cazul avem în vedere un cub format dintr-un proton.
Faptul că compoziția nucleelor atomice, protoni intra, a fost dovedit ca rezultat al experimentelor efectuate în 1919 de fizicianul englez Rutherford. In aceste experimente, el a folosit fluxul alfa rapid - particule (adică, nuclee de heliu) produse în timpul dezintegrării radioactive a radiului C. La bombardament alfa - nuclee de particule de azot s-a constatat că acestea emit particule rapide cu emisie simultană în direcția opusă lent particule grele. Studiind acest fenomen într-o cameră de expansiune, sa constatat că particulele rapide sunt protoni si lente - nucleele de oxigen. Sa constatat că nucleul de azot, captarea o alfa - particula este transformata in nucleul de oxigen cu emisia unui proton. Bombardament alfa - nuclee de particule de atomi ai altor elemente, și au confirmat prezența protonilor în aceste nuclee.
Cu toate acestea, miezul (cu excepția nucleelor de hidrogen) nu poate doar consta dintr-un proton. Într-adevăr, nucleul atomului de heliu, care ocupă locul doi în tabelul D. I. Mendeleeva, o taxă egală cu taxa de doi protoni și o masă mai mare decât masa protonului de patru ori. În mod similar, sarcina nucleului de oxigen este egal cu opt taxe ale protonului și masa nucleului de șaisprezece ori mai mare decât masa de protoni. Explicația pentru această discrepanță a fost găsit după descoperirea de noi particule „elementare“ - așa-numitul neutronului.
In 1930, oamenii de știință au descoperit că există o emisie de particule neîncărcată capabile să penetreze printr-un strat de plumb sunt relativ mai groase (până la 5 centimetri), atunci când bombardat cu particule alfa de anumite elemente (beriliu, bor și altele). In 1931, fizicienii francezi Irene și Frederik Zholio - Curie a descoperit că, dacă ai pus o substanță a cărei molecule conțin un număr mare de atomi de hidrogen (de exemplu, parafină), apoi începe să decoleze protoni în calea acestei radiații.
S-ar putea presupune că radiațiile nou descoperite este format din fotoni. Cu toate acestea, pentru a fi în măsură să bat din protonii de ceară, acești fotoni ar trebui să aibă o energie de aproximativ 50 de milioane de electron-volți. In acest ultim caz, ar fi pătruns prin semnificativ mai mare grosime a plumbului decât cele observate experimental (pentru trecerea unui foton prin 5 cm de plumb au nevoie de energie doar 5 milioane de electron - volți). Această contradicție a fost rezolvată ca urmare a activității de știință englez Chadwick. S-a arătat că îndepărtarea de la protonii de parafină și nuclee emise sub acțiunea unei radiații necunoscute altor atomi muta ca și în cazul în care nu au fost distruse de fotoni, iar masa grea a particulelor care este aproximativ egală cu cea a protonului. Astfel, eforturile mai multor fizicieni au stabilit existența unei particule grele neîncărcate - un neutron. neutroni în masă în 1839 de ori masa electronului, dar spre deosebire de proton (și electron), sarcina sa este zero. Acesta este motivul pentru neutroni sunt capabile să penetreze prin straturile groase de plumb.
particulă neîncărcată poate introduce atomul fără oricare repulsie sau atracție de particule încărcate (electroni și nuclee), și fără a pierde energia lor de a depăși acțiunea forțelor electrice asupra ionizarea atomilor. Prin urmare, calea de neutroni, în care - o paribus substanță ceteris mai mult decât, de exemplu, un proton. Din cauza incapacitatea de a produce o ionizare de neutroni este foarte dificil de a vedea ce a fost cauza relativ detecție tardivă a particulei.
Descoperirea neutronului ajutat să înțeleagă de ce greutatea depășește greutatea de nucleele atomice care le conțin protoni. oamenii de știință sovietici D. D. Ivanenko și E. D. Gapon a prezentat ideea de protoni - structura de neutroni de nuclee, care este acum universal acceptată. Conform acestui punct de vedere, este in nucleul de heliu, cu excepția doi protoni, doi neutroni, și, prin urmare, taxa este egală cu două și patru ori masa masei de protoni (sau aproape egală cu masa de neutroni s). În mod similar, alte nuclee în afară de protoni, neutroni prezenți. Când dezintegrări nucleare cauzate, de exemplu, cu eliberare rapidă la miezul unei particule alfa, se poate produce emisia de neutroni. Acest proces este atât timp și a servit ca primul indiciu al existenței acestuia.
Nu este însărcinat să se ocupe de neutroni poate pătrunde cu ușurință nu numai în atomul, dar chiar și în interiorul nucleului. A lovit un neutron în nucleul unei plumb grele, în unele cazuri, la distrugerea acesteia din urmă, având ca rezultat formarea de nuclee mai ușoare și a lansat o cantitate destul de mare de energie nucleară. proprietățile neutroni pentru a produce dezintegrările nucleare este utilizat pentru a produce atomice (ar fi mai bine să spunem - nucleară) energie.
Cea mai mare capacitate de penetrare de neutroni, împreună cu capacitatea de a distruge kernel-ul le face efecte periculoase asupra ființelor vii. Suficient de puternic flux de neutroni lovind părțile interioare ale corpului, emboss de protoni nuclee rapide și alte particule încărcate care ionizante întâlnite la atomii lor cale de molecule organice complexe, promovează descompunerea perturbării din urmă și, astfel, a activității vitale a unei plante sau animale. Cu toate acestea, proprietățile distructive ale neutroni pot fi folosite pentru bunăstarea poporului. La urma urmei, cu ajutorul acestor particule oamenii de știință au descoperit un depozit anterior inaccesibile natural al energiei nucleare: Impartirea nucleul, neutroni, eliberând energia pe care o avem în Uniunea Sovietică este deja folosită în scopuri pașnice. În plus, anumite elemente chimice după bombardament cu neutroni transformate în substanțe radioactive artificiale găsirea tot mai răspândită în medicină, în studierea activității metodei organismelor de marcare, în tehnica, și așa mai departe. N.
În prezent, există mai multe modalități de a produce neutroni necesare pentru o varietate de cercetare fizică nucleară și pentru un număr de aplicații practice. Cea mai veche dintre aceste metode este producerea așa-numita radiu - sursa de beriliu. Fiola de sticla este umplută sau pulbere de metal amestecat cu beriliu orice sare radiu (de exemplu, bromură de radiu). In timpul dezintegrării radioactive a nucleelor de radiu se emit particule alfa, care interactioneaza cu nuclee de beriliu, bat din acești neutroni. Trecut datorita puterii ridicate de penetrare a liber trec prin pereții vaselor.
După inventarea dispozitive speciale - accelerator (ciclotron, sincrociclotron, sincrotronice proton etc.), raportând o particulele încărcate cu energie înaltă, este posibil să se obțină neutroni în mod artificial. În acest scop, un fascicul de accelerat într-un ciclotron sau o mașină similară de particule grele încărcate, de exemplu, deutronilor (grele hidrogen nuclee) este direcționată spre o țintă făcută dintr-o anumită substanță (de exemplu, litiu). Ca urmare a nucleilor atomilor țintă sputtered neutroni. Prin varierea energia bombardează o țintă, „scoici“, puteți primi diferite neutroni de energie.
O altă sursă puternică de particule grele sunt reactoare nucleare neîncărcate (cazane), în care reacțiile în lanț de fisiune sunt efectuate în nuclee grele. Acesta formează un număr mare de neutroni provenind din cazan spre exterior.
Neutronii precum și alte particule „elementare“ (electroni, protoni), au proprietăți de undă. Fasciculul de neutroni, cum ar fi lumina (fluxul fotonic) 3, suferă de reflexie, difracție, polarizată și m. N. particule neîncărcate Prin urmare grele pot fi folosite pentru a studia structura cristalelor (prin radiografice fasciculului lor de neutroni) precum X-raze sunt utilizate. Unele dificultate este detectarea de neutroni, deoarece ele nu produc ionizarea și, prin urmare, nu pot fi văzute ca acestea trec prin camera de nor, contra, camera de ionizare am alte dispozitive sunt de obicei utilizate pentru detectarea și numărarea particulelor încărcate. Nu lăsați urme în emulsii fotografice și neutronii. Cu toate acestea proprietate neutronii distruge nucleele induce reacții nucleare ne oferă o metodă de înregistrare a acestor particule. Intr-o camera de ionizare convențională sau contor de gaz care conține bor nucleu adăugat. Neutronii digerate cu aceste nuclee, particulele alfa emise, care creează evacuări în contorul sau curentul de ionizare în camera, care permite fixarea fluxului de neutroni. Acesta poate fi folosit pentru a detecta neutronii emulsiilor la care o sare de litiu este amestecat sau bar. După contactul cu neutroni în nucleul atomului - oricare dintre aceste elemente se produce nuclee de divizare cu emisia unei piste particule încărcate rapid, care este vizibilă în emulsie.
În ciuda faptului că între protoni și neutroni, există o diferență semnificativă este lipsa unei taxe în trecut, în alte moduri, ele sunt foarte asemănătoare între ele. Masele acestor particule este aproape exact egal și comportamentul lor în nucleu (cantitatea nucleară și natura forțelor care acționează între protoni, neutroni și între între ambele) este, de asemenea, aproximativ același. Faptul că protonii ca particule, cum ar fi încărcate în miez trebuie să fie respinse unul față de celălalt. Deoarece toate miezului există sub forma unor formațiuni stabile, este evident că protonii sunt deținute în ele cu o forță mai mare decât forțele electrostatice de repulsie. Sa constatat că aceste forțe nucleare specifice acționează nu numai între protoni și între neutroni, dar, de asemenea, se leagă la fiecare alte particule ale ambelor specii. Acest lucru înseamnă că protonii și neutronii anumite interacționează unul cu altul (deși natura fizică a acestei interacțiuni nu a fost elucidat). Oamenii de știință au descoperit, de asemenea, că atât particulele pot fi transformați unul in altul. Astfel, în miez se produce în conversie de neutroni de protoni cu emisia de electroni încărcați negativ și o altă lumină particule neîncărcate neutrini (neutrinii greutate mai mică de 1: 400 in masa de electroni). Există un alt proces: protonul in nucleu se transformă într-un neutron cu emisia unui electron încărcat pozitiv (pozitron) și neutronilor. Toate aceste fenomene observate în dezintegrarea unor nuclee radioactive, a primit un nume comun - descompunere beta.
Din punct de vedere al teoriei beta - dezintegra un neutron și un proton nu este diferită: atât de bine unul în celălalt. Din acest motiv, cele două particule sunt adesea denumite simplu nucleoni. Ar trebui, totuși, să fie subliniat faptul că în cazul în care nucleul tuturor nucleonilor se comportă în raport cu dezintegrarea beta a fel, în stare liberă, în afara nucleului, protoni și neutroni prezintă proprietăți diferite. Proton în sine - stabil, sau cum se spune altfel, o particulă stabilă, în timp ce neutronul liber se dezintegreaza spontan, cu un timp de înjumătățire de aproximativ 20 de minute. Astfel, este transformată într-un proton si emite ca descompunerea in interiorul nucleului, un electron și un neutrino.
Diferența dintre un proton și un neutron într-o stare liberă din cauza mai multe motive. Una dintre ele este faptul că pentru conversia unui proton într-un neutron este necesară pentru a cheltui energie considerabile (cel puțin mai mare de 1,9 milioane de electroni - volți). Deoarece protoni liberi unde să împrumute această energie, și este o particulă stabilă. Ca un neutron, are o masă mai mare decât un proton, și, prin urmare, o rezervă mare de energie. In transformarea unui neutron într-un proton este eliberat circa 800 de mii de electron-volți de energie. Prin urmare, neutroni liberi sunt diferite radioactivitate proprietatea.
Protonii, neutroni neutrini, precum fotoni și electroni apar în razele cosmice. În particular, protoni formează așa numita componentă principală a radiației cosmice, adică vin pe Pământ din spațiul interstelar. Desigur, neutronii care se află într-o stare liberă sunt transformate în protoni nu pot fi prezente în radiația primară. Cu toate acestea, ele sunt formate într-o atmosferă de protoni primari de coliziune (și nuclee mai grele) cu nuclee de atomi de azot, oxigen și alte gaze cu aer cochilie planetei noastre. Razele cosmice au energie enorme protonii și, prin urmare, poate, în ciuda prezenței unei sarcină pozitivă, este ușor să pătrundă în nucleele atomilor. În coliziunea dintre nucleoni au o procese energetice gigantice au loc, care nu sunt observate în interacțiunea nucleonilor mai redus de energie. De exemplu, atunci când o astfel de coliziune are loc formarea de noi particule - mesonii diferite mase.
Cele descrise mai sus interacțiunea fapte nucleon nu înseamnă în nucleu, dacă neutronul este format dintr-un proton și un electron, sau, invers, protonul conține un neutron și un pozitron. Linia de jos - dezintegrarea beta constă în faptul că neutronului este transformată în alte trei particule (protoni, electroni, neutrini) sau protoni se transformă într-un neutron, un pozitron și un neutrino. Aceste procese au loc în strictă conformitate cu legile de conservare a energiei, în masă, impuls, încărcare, și m. P. Și o dovadă convingătoare că variabilitatea particulelor elementare „“ și prezența de cuplare; profundă.