Alle fysiske naturlegemer er bygget af en type stof kaldet stof. Stoffer er opdelt i to hovedgrupper - simple og komplekse stoffer.
Komplekse stoffer er de stoffer, der kan nedbrydes til andre, enklere stoffer gennem kemiske reaktioner. I modsætning til komplekse stoffer er simple stoffer dem, der ikke kemisk kan nedbrydes til endnu simplere stoffer.
Et eksempel på et komplekst stof er vand, som gennem en kemisk reaktion kan nedbrydes til to andre, enklere stoffer - brint og ilt. Hvad angår de to sidste, kan de ikke længere nedbrydes kemisk til simplere stoffer, og er derfor simple stoffer, eller med andre ord kemiske grundstoffer.
I første halvdel af 1800-tallet var der en antagelse i videnskaben om, at kemiske grundstoffer var uforanderlige stoffer, der ikke havde nogen fælles forbindelse med hinanden. Imidlertid afslørede den russiske videnskabsmand D.I. Mendeleev (1834 - 1907) for første gang i 1869 forbindelsen mellem kemiske elementer, hvilket viste, at de kvalitative egenskaber for hver af dem afhænger af dens kvantitative egenskaber - atomvægt.
Mens han studerede egenskaberne af kemiske elementer, bemærkede D.I. Mendeleev, at deres egenskaber periodisk gentages afhængigt af deres atomvægt. Han viste denne periodicitet i form af en tabel, som blev inkluderet i videnskaben under navnet "Mendeleevs periodiske system af grundstoffer."
Nedenfor er Mendeleevs moderne periodiske system over kemiske grundstoffer.
Atomer
Ifølge moderne videnskabsbegreber består hvert kemisk element af en samling af bittesmå materiale (materiale) partikler kaldet atomer.
Et atom er den mindste fraktion af et kemisk grundstof, der ikke længere kan nedbrydes kemisk til andre, mindre og enklere materialepartikler.
Atomer af kemiske grundstoffer, der er forskellige i naturen, adskiller sig fra hinanden i deres fysiske og kemiske egenskaber, struktur, størrelse, masse, atomvægt, iboende energi og nogle andre egenskaber. For eksempel adskiller brintatomet sig markant i dets egenskaber og struktur fra iltatomet, og sidstnævnte fra uranatomet osv.
Det er blevet fastslået, at atomer af kemiske grundstoffer er ekstremt små i størrelse. Hvis vi konventionelt antager, at atomer har en sfærisk form, skal deres diametre være lig med hundrede milliontedele af en centimeter. For eksempel er diameteren af et brintatom - det mindste atom i naturen - lig med en hundrede milliontedel af en centimeter (10 -8 cm), og diameteren af de største atomer, for eksempel et uranatom, overstiger ikke tre hundrede milliontedele af en centimeter (3 10 -8 cm). Som følge heraf er et brintatom lige så mange gange mindre end en kugle med en radius på en centimeter, som sidstnævnte er mindre end kloden.
I overensstemmelse med atomernes meget lille størrelse er deres masse også meget lille. For eksempel er massen af et brintatom m = 1,67 10 -24 g. Det betyder, at et gram brint indeholder cirka 6 10 23 atomer.
Den konventionelle måleenhed for kemiske grundstoffers atomvægte antages at være 1/16 af vægten af et oxygenatom I overensstemmelse med denne atomvægt af et kemisk grundstof kaldes et abstrakt tal, der viser hvor mange gange vægten af et givet kemisk grundstof er større end 1/16 af vægten af et oxygenatom.
Det periodiske system af grundstoffer af D.I. Mendeleev viser atomvægtene af alle kemiske grundstoffer (se nummeret placeret under navnet på grundstoffet). Fra denne tabel ser vi, at det letteste atom er hydrogenatomet, som har en atomvægt på 1,008. Atomvægten af kulstof er 12, oxygen er 16 osv.
Hvad angår tungere kemiske grundstoffer, overstiger deres atomvægt atomvægten af brint med mere end to hundrede gange. Atomvægten af kviksølv er således 200,6, radium er 226 osv. Jo højere talrækkefølge, der er optaget af et kemisk grundstof i grundstoffernes periodiske system, jo større er atomvægten.
De fleste atomvægte af kemiske grundstoffer er udtrykt i brøktal. Dette forklares til en vis grad af, at sådanne kemiske grundstoffer består af en samling af mange typer atomer, der har forskellig atomvægt, men de samme kemiske egenskaber.
Kemiske grundstoffer, der optager det samme antal i grundstoffernes periodiske system, og derfor har de samme kemiske egenskaber, men forskellige atomvægte, kaldes isotoper.
Isotoper findes i de fleste kemiske grundstoffer, den har to isotoper, calcium - fire, zink - fem, tin - elleve osv. Mange isotoper opnås gennem kunst, nogle af dem er af stor praktisk betydning.
Elementære partikler af stof
I lang tid troede man, at atomer af kemiske grundstoffer er grænsen for stoffets delelighed, dvs. ligesom de elementære "byggesten" i universet. Moderne videnskab har afvist denne hypotese og fastslået, at atomet i enhver kemisk ale er en samling af endnu mindre materialepartikler end selve atomet.
Ifølge den elektroniske teori om stoffets struktur er et atom af ethvert kemisk grundstof et system, der består af en central kerne, omkring hvilken "elementære" materialepartikler kaldet elektroner roterer. Atomkernerne består ifølge almindeligt accepterede synspunkter af en samling af "elementære" materialepartikler - protoner og neutroner.
For at forstå strukturen af atomer og de fysiske og kemiske processer i dem, er det nødvendigt i det mindste kort at blive fortrolig med de grundlæggende egenskaber ved de elementarpartikler, der udgør atomerne.
Bestemte det elektron er en materialepartikel, der har den mindste negative elektriske ladning, der er observeret i naturen.
Hvis vi konventionelt antager, at en elektron som en partikel har en sfærisk form, så skal elektronens diameter være lig med 4 · 10 -13 cm, dvs. det er titusindvis af gange mindre end diameteren af ethvert atom.
En elektron har, ligesom enhver anden materialepartikel, masse. En elektrons "hvilemasse", dvs. den masse, den har i en tilstand af relativ hvile, er lig med m o = 9,1 10 -28 g.
Den ekstremt lille "hvilemasse" af elektronen indikerer, at elektronens inerte egenskaber er ekstremt svage, hvilket betyder, at elektronen under påvirkning af en variabel elektrisk kraft kan svinge i rummet med en frekvens på mange milliarder cyklusser pr. anden.
Massen af en elektron er så lille, at for at opnå et gram elektroner ville det være nødvendigt at tage 1027 enheder. For at have i det mindste en fysisk idé om dette kolossalt store antal, lad os give følgende eksempel. Hvis et gram elektroner kunne placeres i en lige linje tæt på hinanden, ville de danne en fire milliarder kilometer lang kæde.
Massen af en elektron afhænger ligesom enhver anden materialemikropartikel af hastigheden af dens bevægelse. En elektron, der er i en tilstand af relativ hvile, har en "hvilemasse", som er af mekanisk natur, ligesom massen af enhver fysisk krop. Hvad angår elektronens "bevægelsesmasse", som stiger med stigende hastighed af dens bevægelse, er den af elektromagnetisk oprindelse. Det skyldes tilstedeværelsen af et elektromagnetisk felt i en bevægelig elektron som en bestemt type stof med masse og elektromagnetisk energi.
Jo hurtigere elektronen bevæger sig, jo mere manifesterer inertiegenskaberne af dets elektromagnetiske felt sig, og følgelig desto større masse af sidstnævnte og følgelig dens elektromagnetiske energi. Da en elektron med dets elektromagnetiske felt udgør et enkelt, organisk forbundet materialesystem, er det naturligt, at bevægelsesmassen af elektronens elektromagnetiske felt direkte kan henføres til selve elektronen.
En elektron har udover egenskaberne for en partikel også bølgeegenskaber. Erfaring har vist, at strømmen af elektroner, ligesom en lysstrøm, forplanter sig i form af en bølgelignende bevægelse. Naturen af elektronstrømmens bølgebevægelse i rummet bekræftes af fænomenerne interferens og diffraktion af elektronbølger.
Elektroninterferens- dette er fænomenet med at overlejre elektroniske testamenter på hinanden, og elektrondiffraktion- dette er fænomenet med elektronbølger, der bøjer sig rundt om kanterne af et smalt mellemrum, hvorigennem en elektronstrøm passerer. Derfor er en elektron ikke bare en partikel, men en "partikelbølge", hvis længde afhænger af elektronens masse og hastighed.
Det er blevet fastslået, at elektronen udover sin translationsbevægelse også udfører en rotationsbevægelse omkring sin akse. Denne type elektronbevægelse kaldes "spin" (fra det engelske ord "spin" - spindel). Som følge af en sådan bevægelse får elektronen foruden de elektriske egenskaber på grund af den elektriske ladning også magnetiske egenskaber, der i denne henseende minder om en elementær magnet.
En proton er en materiel partikel, der har en positiv elektrisk ladning, der i absolut værdi er lig med en elektrons elektriske ladning.
Protonmasse er 1,67 · 10-24 g, dvs. det er cirka 1840 gange elektronens "hvilemasse".
I modsætning til elektronen og protonen, en neutron har ikke en elektrisk ladning, dvs. den er en elektrisk neutral "elementær" partikel af stof. Massen af en neutron er næsten lig med massen af en proton.
Elektroner, protoner og neutroner, der er en del af atomer, interagerer med hinanden. Især elektroner og protoner er gensidigt tiltrukket af hinanden som partikler med modsatte elektriske ladninger. Samtidig frastødes en elektron fra en elektron og en proton fra en proton som partikler med de samme elektriske ladninger.
Samspillet mellem alle disse elektrisk ladede partikler sker gennem deres elektriske felter. Disse felter repræsenterer en særlig type stof, der består af en samling af elementære materialepartikler kaldet fotoner. Hver foton har en strengt defineret mængde energi iboende i sig (energikvante).
Interaktionen mellem elektrisk ladede materialepartikler udføres ved at udveksle fotoner med hinanden. Vekselkraften mellem elektrisk ladede partikler kaldes normalt elektrisk kraft.
Neutroner og protoner, der findes i atomkerner, interagerer også med hinanden. Denne interaktion udføres dog ikke længere gennem et elektrisk felt, da neutronen er en elektrisk neutral partikel af stof, men gennem det såkaldte kernefelt.
Dette felt er også en speciel type stof, der består af en samling af elementære materialepartikler kaldet mesoner. Interaktionen mellem neutroner og protoner udføres ved at udveksle mesoner med hinanden. Kraften mellem neutroner og protoner, der interagerer med hinanden, kaldes kernekraften.
Det er blevet fastslået, at nukleare kræfter virker i atomkerner inden for ekstremt små afstande - cirka 10 - 13 cm.Nukleare kræfter overstiger betydeligt de elektriske kræfter af gensidig frastødning af protoner i kernen af et atom. Dette fører til det faktum, at de ikke kun er i stand til at overvinde kræfterne til gensidig frastødning af protoner inde i atomkernerne, men også til at skabe meget stærke systemer af kerner fra en kombination af protoner og neutroner.
Stabiliteten af kernen i hvert atom afhænger af forholdet mellem to modstridende kræfter - nuklear (gensidig tiltrækning af protoner og neutroner) og elektriske (gensidig frastødning af protoner).
Kraftige kernekræfter, der virker i atomkernerne, bidrager til omdannelsen af neutroner og protoner til hinanden. Disse indbyrdes omdannelser af neutroner og protoner udføres som et resultat af frigivelse eller absorption af lettere elementarpartikler, såsom mesoner.
De partikler, vi har overvejet, kaldes elementære, fordi de ikke består af en samling af andre, enklere stofpartikler. Men samtidig må vi ikke glemme, at de er i stand til at forvandle sig til hinanden, der opstår på bekostning af hinanden. Disse partikler er således nogle komplekse formationer, dvs. deres elementaritet er betinget.
Kemisk struktur af atomer
Det enkleste atom i dets struktur er hydrogenatomet. Den består af en samling af kun to elementarpartikler - en proton og en elektron. Protonen i brintatomsystemet spiller rollen som en central kerne, hvorom elektronen roterer i en bestemt bane. I fig. Figur 1 viser skematisk en model af hydrogenatomet.
Ris. 1. Skema over strukturen af hydrogenatomet
Denne model er kun en grov tilnærmelse af virkeligheden. Faktum er, at elektronen som en "partikelbølge" ikke har et volumen skarpt afgrænset fra det ydre miljø. Det betyder, at vi ikke skal tale om en præcis lineær bane for elektronen, men om en slags elektronsky. I dette tilfælde optager elektronen oftest en eller anden midterlinje i skyen, som er en af dens mulige baner i atomet.
Det skal siges, at selve elektronens bane ikke er strengt uændret og ubevægelig i atomet - også den gennemgår på grund af ændringer i elektronens masse en rotationsbevægelse. Følgelig er bevægelsen af en elektron i et atom relativt kompleks. Da kernen i et brintatom (proton) og elektronen, der roterer omkring det, har modsatte elektriske ladninger, tiltrækkes de gensidigt.
Samtidig udvikler elektronen, der snurrer rundt om atomets kerne, en centrifugalkraft, der har en tendens til at fjerne den fra kernen. Følgelig er den elektriske kraft af gensidig tiltrækning mellem kernen af et atom og elektronen og centrifugalkraften, der virker på elektronen, modstridende kræfter.
Ved ligevægt indtager deres elektron en relativt stabil position i en bestemt bane i atomet. Da en elektrons masse er meget lille, skal den for at afbalancere tiltrækningskraften til kernen af et atom rotere med en enorm hastighed, svarende til cirka 6 10 15 omdrejninger i sekundet. Det betyder, at elektronen i hydrogenatomets system, ligesom ethvert andet atom, bevæger sig langs sin bane med en lineær hastighed, der overstiger tusinde kilometer i sekundet.
Under normale forhold roterer en elektron i et atom af sin art i kredsløbet tættest på kernen. Samtidig har den den mindst mulige mængde energi. Hvis elektronen af den ene eller anden grund for eksempel under påvirkning af nogle andre materialepartikler, der har invaderet atomsystemet, bevæger sig til en bane, der er længere væk fra atomet, så vil den allerede have en lidt større mængde energi.
Elektronen forbliver dog i denne nye bane i ubetydelig kort tid, hvorefter den igen roterer til den bane, der er tættest på atomkernen. Under denne bevægelse afgiver den sin overskydende energi i form af et kvantum af elektrisk magnetisk stråling - strålingsenergi (fig. 2).
Ris. 2. En elektron, når den bevæger sig fra en fjern bane til en tættere på kernen af et atom, udsender et kvantum af strålingsenergi
Jo mere energi en elektron modtager udefra, jo længere er den bane, den bevæger sig fra atomets kerne, og jo større mængde af elektromagnetisk energi udsender den, når den roterer ind i den bane, der er tættest på kernen.
Ved at måle mængden af energi, der udsendes af en elektron, når den bevæger sig fra forskellige baner til den, der er tættest på kernen af atomet, var det muligt at fastslå, at en elektron i hydrogenatomets system, som i ethvert andet atoms system , kan ikke bevæge sig til nogen vilkårlig bane, men til en strengt defineret en i overensstemmelse med den energi, den modtager under påvirkning af en ekstern kraft. De baner, som en elektron kan optage i et atom, kaldes tilladte baner.
Da den positive ladning af kernen af et brintatom (protonladning) og den negative ladning af elektronen er numerisk lige, er deres samlede ladning nul. Det betyder, at brintatomet, der er i sin normale tilstand, er en elektrisk neutral partikel.
Dette gælder for atomer af alle kemiske grundstoffer: et atom af ethvert kemisk grundstof i normal tilstand er en elektrisk neutral partikel på grund af den numeriske lighed mellem dens positive og negative ladninger.
Da kernen i et brintatom kun indeholder en "elementær" partikel - en proton, er det såkaldte massetal af denne kerne lig med en. Massenummeret af kernen af et atom af ethvert kemisk element er det samlede antal protoner og neutroner, der er inkluderet i sammensætningen af denne kerne.
Naturligt brint består hovedsageligt af en samling atomer med et massetal lig med én. Det indeholder dog også en anden type brintatomer, med et massetal lig med to. Kernerne i atomerne i denne tunge brint, kaldet deuteroner, består af to partikler - en proton og en neutron. Denne isotop af brint kaldes deuterium.
Naturlig brint indeholder meget små mængder deuterium. For hver seks tusinde atomer af let brint (massetal lig med én), er der kun ét atom af deuterium (tungt brint). Der er en anden isotop af brint - supertung brint, kaldet tritium. I kernerne i et atom i denne brintisotop er der tre partikler: en proton og to neutroner, bundet til hinanden af kernekræfter. Massetallet for kernen i et tritiumatom er tre, dvs. et tritiumatom er tre gange tungere end et let hydrogenatom.
Selvom hydrogenisotopers atomer har forskellige masser, har de stadig de samme kemiske egenskaber.For eksempel danner let brint, der indgår i en kemisk interaktion med ilt, et komplekst stof med det - vand. På samme måde kombineres brint-isotopen deuterium med ilt og danner vand, som i modsætning til almindeligt vand kaldes tungt vand. Tungt vand er meget brugt i processen med at producere atomenergi.
Følgelig afhænger atomers kemiske egenskaber ikke af massen af deres kerner, men kun af strukturen af atomets elektronskal. Fordi let brint-, deuterium- og tritiumatomer har det samme antal elektroner (en for hvert atom), har disse isotoper de samme kemiske egenskaber.
Det er ikke tilfældigt, at det kemiske grundstof brint indtager det første tal i grundstoffernes periodiske system. Faktum er, at der er en vis sammenhæng mellem antallet af ethvert grundstof i det periodiske system af grundstoffer og ladningsværdien af kernen af et atom i dette grundstof. Det kan formuleres sådan: serienummeret for ethvert kemisk grundstof i det periodiske system af grundstoffer er numerisk lig med den positive ladning af kernen af dette grundstof, og følgelig antallet af elektroner, der roterer omkring det.
Da brint indtager det første tal i grundstoffernes periodiske system, betyder det, at den positive ladning af kernen i dets atom er lig med én, og at en elektron roterer rundt om kernen.
Det kemiske grundstof helium indtager nummer to i grundstoffernes periodiske system. Det betyder, at den har en positiv elektrisk ladning af kernen svarende til to enheder, dvs. dens kerne skal indeholde to protoner, og atomets elektronskal skal indeholde to elektroder.
Naturligt helium består af to isotoper - tungt og let helium. Massetallet af tungt helium er fire. Det betyder, at kernen i et tungt heliumatom ud over de ovennævnte to protoner skal indeholde yderligere to neutroner. Hvad angår let helium, er dets massetal tre, det vil sige, at dets kerne ud over to protoner skal omfatte en neutron mere.
Det er blevet fastslået, at i naturligt helium er antallet af lette heliumatomer cirka en milliontedel af de tunge heliumatomer. I fig. Figur 3 viser en skematisk model af heliumatomet.
Ris. 3. Skema over heliumatomets struktur
Yderligere kompleksitet af strukturen af kemiske grundstoffers atomer opstår på grund af en stigning i antallet af protoner og neutroner i disse atomers kerner og samtidig på grund af en stigning i antallet af elektroner, der roterer omkring kernerne (fig. 4) ). Ved hjælp af grundstoffernes periodiske system er det nemt at bestemme antallet af elektroner, protoner og neutroner, der udgør forskellige atomer.
Ris. 4. Skemaer af strukturen af atomkerner: 1 - helium, 2 - kulstof, 3 - oxygen
Atomnummeret for et kemisk grundstof er lig med antallet af protoner, der er placeret i kernen af et atom, og samtidig antallet af elektroner, der roterer rundt om kernen. Hvad angår atomvægten, er den omtrent lig med atomets massetal, det vil sige antallet af protoner og neutroner kombineret i kernen. Derfor kan man ved at trække fra et grundstofs atomvægt et tal svarende til grundstoffets atomnummer bestemme, hvor mange neutroner der er indeholdt i en given kerne.
Det er blevet fastslået, at kernerne af lette kemiske grundstoffer, som indeholder lige store dele af protoner og neutroner, er kendetegnet ved meget høj styrke, da kernekræfterne i dem er relativt store. For eksempel er kernen i et tungt heliumatom ekstremt stærk, fordi den består af to protoner og to neutroner bundet sammen af kraftige kernekræfter.
Atomkernerne af tungere kemiske grundstoffer indeholder et ulige antal protoner og neutroner, så deres binding i kernen er svagere end i kernerne af lette kemiske grundstoffer. Disse grundstoffers kerner kan relativt let spaltes, når de bombarderes med atomare "projektiler" (neutroner, heliumkerner osv.).
Hvad angår de tungeste kemiske grundstoffer, især radioaktive, er deres kerner så svage, at de spontant går i opløsning i deres bestanddele. For eksempel henfalder atomer af det radioaktive grundstof radium, der består af en kombination af 88 protoner og 138 neutroner, spontant og bliver til atomer af det radioaktive grundstof radon. Sidstnævntes atomer desintegrerer til gengæld i deres bestanddele og bliver til atomer af andre elementer.
Efter kort at have gjort os bekendt med komponenterne i kernerne af atomer af kemiske elementer, lad os overveje strukturen af de elektroniske skaller af atomer. Som det er kendt, kan elektroner kun rotere omkring atomkerner i strengt definerede baner. Desuden er de så grupperet i elektronskallen af hvert atom, at individuelle lag af elektroner kan skelnes.
Hvert lag kan indeholde et antal elektroner, der ikke overstiger et strengt defineret antal. Så for eksempel i det første elektronlag tættest på kernen af et atom kan der maksimalt være to elektroner, i det andet - ikke mere end otte elektroner osv.
De atomer, hvis ydre elektronlag er fuldstændigt fyldte, har den mest stabile elektronskal. Det betyder, at dette atom holder fast på alle dets elektroner og ikke behøver at modtage en ekstra mængde udefra. For eksempel har et heliumatom to elektroner, der fuldstændigt fylder det første elektronlag, og et neonatom har ti elektroner, hvoraf de to første fylder det første elektronlag fuldstændigt, og resten - det andet (fig. 5).
Ris. 5. Skema over neonatomets struktur
Følgelig har helium- og neonatomer fuldstændig stabile elektroniske skaller og stræber ikke efter at ændre dem kvantitativt på en eller anden måde. Sådanne elementer er kemisk inerte, det vil sige, at de ikke interagerer kemisk med andre elementer.
De fleste kemiske grundstoffer har dog atomer, hvori de ydre elektronlag ikke er helt fyldt med elektroner. For eksempel har et kaliumatom nitten elektroner, hvoraf atten fylder de første tre lag fuldstændigt, og den nittende elektron er alene i det næste, ufyldte elektronlag. Den svage fyldning af det fjerde elektronlag med elektroner fører til, at atomets kerne meget svagt rummer den yderste elektron, den nittende elektron, og derfor kan sidstnævnte let rives ud af atomet. .
Eller for eksempel har et iltatom otte elektroner, hvoraf to helt fylder det første lag, og de resterende seks er placeret i det andet lag. For fuldstændigt at fuldføre konstruktionen af det andet elektronlag i oxygenatomet behøver det kun to elektroner. Derfor holder iltatomet ikke kun fast sine seks elektroner i det andet lag, men har også evnen til at tiltrække de to elektroner, det mangler for at fylde sit andet elektronlag. Han opnår dette ved kemisk at kombinere med atomer af grundstoffer, hvis ydre elektroner er svagt bundet til deres kerner.
Kemiske grundstoffer, hvis atomer ikke har ydre elektronlag fuldstændigt fyldt med elektroner, er som regel kemisk aktive, det vil sige, at de let indgår i kemiske vekselvirkninger.
Så elektroner i atomerne af kemiske elementer er arrangeret i en strengt defineret rækkefølge, og enhver ændring i deres rumlige arrangement eller mængde i atomets elektronskal fører til en ændring i sidstnævntes fysisk-kemiske egenskaber.
Ligheden mellem antallet af elektroner og protoner i atomsystemet er årsagen til, at dens samlede elektriske ladning er nul. Hvis ligheden mellem antallet af elektroner og protoner i atomsystemet krænkes, så bliver atomet et elektrisk ladet system.
Et atom i hvis system balancen af modsatte elektriske ladninger er forstyrret på grund af, at det har mistet nogle af sine elektroner eller omvendt har erhvervet en overskydende mængde af dem, kaldes en ion.
Tværtimod, hvis et atom får nogle ekstra elektroner, bliver det en negativ ion. For eksempel bliver et kloratom, der har fået en ekstra elektron, til en enkeltladet negativ klorion Cl -. Et oxygenatom, der har modtaget to ekstra elektroner, bliver til en dobbeltladet negativ oxygenion O osv.
Et atom, der er blevet til en ion, bliver et elektrisk ladet system i forhold til det ydre miljø. Det betyder, at atomet begyndte at have et elektrisk felt, sammen med hvilket det udgør et enkelt materialesystem og gennem dette felt udfører det elektrisk vekselvirkning med andre elektrisk ladede partikler af stof - ioner, elektroner, positivt ladede atomkerner mv.
I modsætning til ioners evne til at blive gensidigt tiltrukket af hinanden er grunden til, at de kemisk kombineres og danner mere komplekse partikler af stof - molekyler.
Afslutningsvis skal det bemærkes, at dimensionerne af et atom er meget store sammenlignet med dimensionerne af de materialepartikler, de er sammensat af. Kernen i det mest komplekse atom fylder sammen med alle elektronerne en milliardtedel af atomets rumfang. En simpel beregning viser, at hvis en kubikmeter platin kunne komprimeres så tæt, at de intraatomare og interatomiske rum forsvandt, så ville volumenet være lig med cirka en kubikmillimeter.
Først og fremmest er det nødvendigt at forstå, at der er fire separate typer energi frigivet:
1) kemisk energi, der driver vores biler, såvel som de fleste af den moderne civilisations enheder;
2) nuklear fissionsenergi, der bruges til at generere omkring 15 % af den elektricitet, vi forbruger;
3) energien fra varm kernefusion, som driver solen og de fleste stjerner;
4) kold nuklear fusionsenergi, som observeres af nogle eksperimenter i laboratorieundersøgelser, og hvis eksistens afvises af de fleste videnskabsmænd.
Mængden af frigivet atomenergi (varme/lb brændsel) af alle tre typer er 10 millioner gange større end kemisk energi. Hvordan er disse typer energi forskellige? For at forstå dette problem kræves en vis viden om kemi og fysik.
Ved at drage fordel af tilbuddene fra denne online butik, der sælger husholdningsartikler, kan du nemt købe alle varer til rimelige priser.
Naturen har givet os to typer stabilt ladede partikler: protoner og elektroner. En proton er en tung, normalt meget lille, positivt ladet partikel. Elektronen er normalt let, stor, med uklare grænser og har en negativ ladning. Positive og negative ladninger tiltrækker hinanden, ligesom nordpolen på en magnet tiltrækker sydpolen. Hvis en magnet med sin nordpol bringes tæt på en anden magnets sydpol, vil de støde sammen. Kollisionen vil frigive en lille mængde energi i form af varme, men den er for lille til let at kunne måles. For at adskille magneterne skal du arbejde, det vil sige bruge energi. Det er omtrent det samme som at løfte en sten tilbage op ad en bakke.
At rulle en sten ned ad en bakke producerer en lille mængde varme, men at løfte stenen op igen kræver energi.
På samme måde kolliderer den positive ladning af en proton med den negative ladning af en elektron, de "klæber sammen" og frigiver energi. Resultatet er et brintatom, betegnet H. Et brintatom er intet andet end en fuzzy elektron, der omslutter en lille proton. Slår man en elektron ud af et brintatom, får man en positivt ladet H+-ion, som ikke er andet end den oprindelige proton. "Ion" er navnet på et atom eller molekyle, der har mistet eller fået en eller flere elektroner og derfor ikke længere er neutralt.
Som du ved, er der mere end én type atomer i naturen. Vi har oxygenatomer, nitrogenatomer, jernatomer, heliumatomer og andre. Hvordan er de alle forskellige? De har alle forskellige typer kerner, og alle kerner indeholder forskelligt antal protoner, hvilket betyder, at de har forskellige positive ladninger. Heliumkernen indeholder 2 protoner, hvilket betyder, at den har en ladning på plus 2, og for at neutralisere ladningen kræves der 2 elektroner. Når 2 elektroner "klæber" til det, dannes et heliumatom. Iltkernen indeholder 8 protoner og har en ladning på 8. Når 8 elektroner "klæber" til den, dannes et iltatom. Et nitrogenatom har 7 elektroner, et jernatom har omkring 26. Strukturen af alle atomer er dog nogenlunde den samme: En lille, positivt ladet kerne placeret i en sky af diffuse elektroner. Forskellen i størrelse mellem kernen og elektronerne er enorm.
Solens diameter er kun 100 gange Jordens diameter. Diameteren af elektronskyen i et atom er 100.000 gange større end kernens diameter. For at få forskellen i volumener, skal du kubere disse tal.
Nu er vi klar til at forstå, hvad kemisk energi er. Atomerne, der er elektrisk neutrale, kan faktisk binde sammen og frigive mere energi. Med andre ord kan de forbindes til mere stabile konfigurationer. De elektroner, der allerede er i atomet, forsøger at blive fordelt på en sådan måde, at de kommer så tæt på kernen som muligt, men på grund af deres diffuse natur kræver de en vis plads. Men når de kombinerer med elektroner fra et andet atom, danner de normalt en tættere konfiguration, hvilket giver dem mulighed for at bevæge sig tættere på kernerne. For eksempel kan 2 brintatomer kombineres til en mere kompakt konfiguration, hvis hvert brintatom afgiver sin elektron til en sky af 2 elektroner, som deles mellem to protoner.
De danner således en gruppe bestående af to elektroner i en enkelt sky og to protoner, adskilt fra hinanden af rummet, men ikke desto mindre placeret inde i skyen af elektroner. Som et resultat opstår der en kemisk reaktion, der opstår med frigivelse af varme: H + H => H G (Tegnet "=>" betyder "bliver til" eller "bliver"). H2-konfigurationen er et hydrogenmolekyle; når du køber en cylinder med brint, får du ikke andet end H-molekyler. Desuden kan to H 2-elektroner og 8 elektroner af et O-atom ved at kombinere to H 2-elektroner danne en endnu mere kompakt konfiguration - et vandmolekyle H O plus varme. I virkeligheden er et vandmolekyle en enkelt sky af elektroner, inden i hvilken der er trepunktkerner. Et sådant molekyle er den minimale energikonfiguration.
Når vi brænder olie eller kul, omfordeler vi således elektroner. Dette fører til dannelsen af mere stabile konfigurationer af punktkerner inde i elektronskyer og er ledsaget af frigivelse af varme. Dette er karakteren af kemisk energi.
I den foregående diskussion gik vi glip af et punkt. Hvorfor indeholder kerner i naturen oprindeligt to eller flere protoner? Hver proton har en positiv ladning, og når afstanden mellem de positive ladninger er så lille, at den kan sammenlignes med rummet omkring kernen, frastøder de hinanden kraftigt. Afvisningen af ens ladninger svarer til den frastødning, der opstår mellem nordpolerne af to magneter, når de forsøges forbundet forkert. Der må være noget, der overvinder denne frastødning, ellers ville der kun eksistere brintatomer. Heldigvis ser vi, at det ikke er tilfældet.
Der er en anden type kraft, der virker på protonen. Dette er atomkraft. På grund af det faktum, at det er meget stort, holdes partiklerne fast næsten oven på hinanden. Derudover er der en anden type tung partikel, som kun adskiller sig fra protonen ved, at den hverken har en positiv eller en negativ ladning. De frastødes ikke af protonens positive ladning. Disse partikler kaldes "neutroner", fordi de er elektrisk neutrale. Det ejendommelige er, at partiklernes uændrede tilstand kun er mulig inde i kernen. Når først partiklen er uden for kernen, bliver den inden for cirka 10 minutter til en proton, en elektron og en meget let antineutrino. Men inde i kernen kan den forblive uændret, så længe det ønskes. Hvorom alting er, er neutronen og protonen meget stærkt tiltrukket af hinanden. Efter at have nærmet sig en tilstrækkelig afstand, kombinerer de og danner et meget stærkt par, den såkaldte deuteron, som er betegnet D+. En enkelt deuteron kombineres med en enkelt elektron for at danne et atom af tungt brint eller deuterium, betegnet D.
Den anden kernereaktion opstår, når to deuteroner interagerer. Når to deuteroner tvinges til at interagere, kombineres de og danner en partikel, der har en dobbelt ladning. En gruppe på to protoner og to neutroner er endnu mere stabil end proton-neutrongruppen i en deuteron. Den nye partikel, neutraliseret af 2 elektroner, bliver kernen i et heliumatom, som betegnes He. I naturen er der også store grupper, der er kernerne af kulstof, nitrogen, oxygen, jern og andre atomer. Eksistensen af alle disse grupper er mulig på grund af den kernekraft, der opstår mellem partikler, når de interagerer med hinanden eller deler et samlet rumfang svarende til kernens størrelse.
Vi kan nu forstå karakteren af almindelig kerneenergi, som faktisk er kernefissionsenergi. Gennem universets tidlige historie blev der dannet massive stjerner. Da sådanne massive stjerner eksploderede, blev mange typer kerner dannet og eksploderede igen ud i rummet. Planeter og stjerner, inklusive Solen, blev dannet af denne masse.
Det er muligt, at under eksplosionen dukkede alle mulige stabile konfigurationer af protoner og neutroner op, såvel som så praktisk talt stabile grupper som urankernen. Der er faktisk tre varianter af uranatomkerner: uran-234, uranium-235 og uranium-238. Disse "isotoper" adskiller sig i antallet af neutroner, men de indeholder alle 92 protoner. Kernerne i enhver type uranatom kan ændre sig til lavere energikonfigurationer ved at undslippe heliumkerner, men denne proces forekommer så sjældent, at terrestrisk uran bevarer sine egenskaber i omkring 4 milliarder år.
Der er dog en anden måde at forstyrre urankernens konfiguration. Generelt er grupper af protoner og neutroner mest stabile, hvis de indeholder omkring 60 proton-neutron-par. Antallet af sådanne par indeholdt i urankernen er tre gange dette tal. Som et resultat har det en tendens til at opdeles i to dele, hvilket frigiver en stor mængde varme. Naturen lader den dog ikke skille sig ad. For at gøre dette skal den først flytte til en højere energikonfiguration. Men én type uran - uranium-235, betegnet 235 U - opnår den nødvendige energi ved at fange en neutron. Efter at have modtaget den nødvendige energi, henfalder kernen, frigiver en enorm mængde energi og frigiver yderligere neutroner. Disse yderligere neutroner kan igen splitte uran-235 kernerne, hvilket fører til en kædereaktion.
Det er præcis, hvad der sker i atomkraftværker, hvor varme fra atomnedbrydning bruges til at koge vand, skabe damp og tænde en elektrisk generator. (Ulempen ved denne metode er frigivelsen af radioaktivt affald, som skal bortskaffes sikkert.)
Vi er nu klar til at forstå essensen af varm nuklear fusion. Som diskuteret i lektion 5 er grupperinger af protoner og neutroner mest stabile, når antallet af protoner og neutroner omtrent svarer til antallet i kernen af jernatomet. Ligesom uran, der normalt indeholder for mange neutron-proton-par, indeholder lette grundstoffer som brint, helium, kulstof, nitrogen og oxygen for få sådanne par.
Hvis de nødvendige betingelser skabes for, at disse kerner kan interagere, vil de forenes i mere stabile grupper med frigivelse af varme. Sådan foregår synteseprocessen. Det forekommer naturligt i stjerner som Solen. I naturen bliver komprimeret brint meget varmt, og efter nogen tid opstår der en syntesereaktion. Hvis processen oprindeligt foregik med deuteroner, som allerede indeholder fordoblede protoner og neutroner, ville reaktionerne i stjerner forløbe relativt let. Den hastighed, hvormed en bestemt type atom bevæger sig inden for en sky af lignende atomer, afhænger direkte af temperaturen. Jo højere temperatur, jo højere hastighed, og jo tættere er atomerne på hinanden, hvilket gør en øjeblikkelig kollision.
I stjerner er temperaturen høj nok til, at elektroner kan undslippe fra kernen. Således kan vi sige, at vi i virkeligheden har at gøre med en blandet sky af elektroner og kerner. Ved meget høje temperaturer er kernerne i kollisionsøjeblikket så tæt på hinanden, at kernekraften aktiveres og tiltrækker dem til hinanden. Som et resultat kan kernerne "klistre sammen" og blive til en lavere energigruppe af protoner og neutroner, der frigiver varme. Varm nuklear fusion er et forsøg på at udføre denne proces i laboratoriemiljøer ved at bruge deuterium og ternær brint (hvis kerne indeholder 1 proton og 2 neutroner) som en gas. Varm fusion kræver opretholdelse af gastemperaturer på flere hundrede millioner grader, hvilket kan opnås ved hjælp af et magnetfelt, men kun i 1-2 sekunder. Det er håbet, at det vil være muligt at holde temperaturen på gassen i længere tid. Så længe temperaturen er høj nok, sker der en kernereaktion, når kerner kolliderer.
Den vigtigste form for frigivelse af energi er frigivelsen af højenergiske neutroner og protoner. Protoner omdannes meget hurtigt til varme. Neutronenergi kan også omdannes til varme, men herefter bliver udstyret radioaktivt. Dekontaminering af udstyr ser ud til at være meget vanskelig, så varm fusion er ikke egnet som metode til kommerciel energiproduktion. Under alle omstændigheder er varm fusionsenergi en drøm, der har eksisteret i mindst 50 år. Imidlertid ser de fleste forskere varm fusion som den eneste måde at producere fusionsenergi på. Processen med varm fusion producerer mindre stråling end fission, det er en miljøvenlig og praktisk talt ubegrænset kilde til brændstof på Jorden (i forhold til moderne energiforbrug ville det være nok i mange millioner år).
Til sidst kommer vi til forklaringen på kold fusion. Kold fusion kunne være en enkel og ikke-radioaktiv måde at frigive fusionsenergi på. Under kold fusion interagerer protoner og neutroner i en kerne med protoner og neutroner i en anden på en helt anden måde.
Samtidig hjælper atomkraft dem med at danne en mere stabil konfiguration. For enhver nuklear reaktion er det nødvendigt, at de reagerende kerner har et fælles rumvolumen. Dette krav kaldes partikeljustering. Ved varm fusion opstår kombinationen af partikler i kort tid, når den frastødende kraft af to positive ladninger overvindes, og kernerne kolliderer. Under kold fusion opnås tilstanden med partikelfusion ved at tvinge deuteriumkerner til at opføre sig som uklare partikler, som elektroner, snarere end som små punktpartikler. Når let eller tungt brint tilsættes til et tungmetal, indtager hvert brint "atom" en position, hvor det er omgivet på alle sider af tungmetalatomer.
Denne form for brint kaldes mellemprodukt. Brintatomernes elektroner bliver sammen med mellembrinten en del af elektronmassen i metallet. Hver brintkerne svinger som et pendul, når den passerer gennem metallets negativt ladede sky af elektroner. Sådanne vibrationer forekommer selv ved meget lave temperaturer i overensstemmelse med kvantemekanikkens postulater. Denne form for bevægelse kaldes nulpunktsbevægelse. I dette tilfælde bliver kernerne til slørede objekter, som elektroner i et atom. En sådan vaghed er imidlertid ikke nok til at tillade en brintkerne at interagere med en anden.
En anden betingelse er nødvendig, at to eller flere brintkerner har det samme fælles rum. Elektrisk strøm båret af elektroner i et metal opfører sig som en vibrerende stofbølge snarere end som punktpartikler. Hvis elektroner ikke opførte sig som bølger i faste stoffer, ville hverken transistorer eller moderne computere eksistere i dag. En elektron i form af en bølge kaldes en Bloch-funktionselektron. Hemmeligheden bag kold fusion er behovet for at opnå en deuteron af Bloch-funktionen. For at to eller flere deuteroner skal have et fælles rumvolumen, skal bølgedeuteroner produceres inde i eller på overfladen af et fast stof. Så snart Bloch-funktionsdeuteroner er skabt, begynder kernekraften at virke, og protonerne og neutronerne, der udgør deuteronet, omorganiseres til en mere stabil Bloch-funktion heliumkonfiguration, som er ledsaget af frigivelse af varme.
For at studere kold fusion skal en eksperimentator tvinge deuteroner til en bølgetilstand og holde dem i denne tilstand. Kolde fusionseksperimenter, der demonstrerer frigivelsen af overskydende varme, beviser, at dette er muligt. Men ingen ved stadig, hvordan man udfører en sådan proces på den mest pålidelige måde. Brug af kold fusion lover at give en energiressource, der vil vare i millioner af år, uden problemerne med global opvarmning eller radioaktivitet - hvorfor der bør gøres en seriøs indsats for at studere dette fænomen.
- Oversættelse
I centrum af hvert atom er kernen, en lille samling af partikler kaldet protoner og neutroner. I denne artikel vil vi studere karakteren af protoner og neutroner, som består af endnu mindre partikler – kvarker, gluoner og antikvarker. (Gluoner er ligesom fotoner deres egne antipartikler.) Quarks og gluoner kan, så vidt vi ved, være virkelig elementære (udelelige og ikke bestående af noget mindre i størrelse). Men til dem senere.
Overraskende nok har protoner og neutroner næsten den samme masse - nøjagtigt inden for en procentdel:
- 0,93827 GeV/c 2 for protonen,
- 0,93957 GeV/c 2 for en neutron.
Fordi de er så ens, og fordi disse partikler udgør kerner, kaldes protoner og neutroner ofte nukleoner.
Protoner blev identificeret og beskrevet omkring 1920 (selvom de blev opdaget tidligere; kernen i et brintatom er kun en enkelt proton), og neutroner blev opdaget omkring 1933. Man indså næsten med det samme, at protoner og neutroner ligner hinanden så meget. Men det faktum, at de har en målbar størrelse, der kan sammenlignes med størrelsen af en kerne (ca. 100.000 gange mindre i radius end et atom) var først kendt i 1954. At de består af kvarker, antikvarker og gluoner blev efterhånden forstået fra midten af 1960'erne til midten af 1970'erne. I slutningen af 70'erne og begyndelsen af 80'erne var vores forståelse af protoner, neutroner, og hvad de er lavet af, stort set sat sig fast og har været uændret lige siden.
Nukleoner er meget sværere at beskrive end atomer eller kerner. For ikke at sige, at atomer i princippet er simple, men man kan i hvert fald sige uden at tænke på, at et heliumatom består af to elektroner i kredsløb om en lillebitte heliumkerne; og heliumkernen er en ret simpel gruppe af to neutroner og to protoner. Men med nukleoner er alt ikke så enkelt. Jeg skrev allerede i artiklen "Hvad er en proton, og hvad er der inde i den?", at et atom er som en elegant menuet, og en nukleon er som en vild fest.
Protonens og neutronens kompleksitet ser ud til at være ægte og stammer ikke fra ufuldstændig viden om fysik. Vi har ligninger, der bruges til at beskrive kvarker, antikvarker og gluoner, og de stærke nukleare interaktioner, der opstår mellem dem. Disse ligninger kaldes QCD, fra kvantekromodynamik. Nøjagtigheden af ligningerne kan testes på en række forskellige måder, herunder måling af antallet af partikler produceret ved Large Hadron Collider. Ved at plugge QCD-ligningerne ind i en computer og køre beregninger på egenskaberne af protoner og neutroner og andre lignende partikler (samlet kaldet "hadroner"), opnår vi forudsigelser af egenskaberne af disse partikler, der tæt nærmer sig observationer foretaget i den virkelige verden. Derfor har vi grund til at tro, at QCD-ligningerne ikke lyver, og at vores viden om protonen og neutronen er baseret på de korrekte ligninger. Men bare at have de rigtige ligninger er ikke nok, fordi:
- Simple ligninger kan have meget komplekse løsninger,
- Nogle gange er det umuligt at beskrive komplekse beslutninger på en enkel måde.
På grund af nukleonernes iboende kompleksitet bliver du, læseren, nødt til at træffe et valg: Hvor meget vil du vide om den beskrevne kompleksitet? Uanset hvor langt du går, vil det højst sandsynligt ikke give dig tilfredshed: Jo mere du lærer, jo klarere bliver emnet, men det endelige svar vil forblive det samme - protonen og neutronen er meget komplekse. Jeg kan tilbyde dig tre niveauer af forståelse, med stigende detaljering; du kan stoppe efter et hvilket som helst niveau og gå videre til andre emner, eller du kan dykke ned indtil det sidste. Hvert niveau rejser spørgsmål, som jeg delvist kan besvare i det næste, men nye svar rejser nye spørgsmål. I sidste ende - som jeg gør i faglige diskussioner med kolleger og videregående studerende - kan jeg kun henvise dig til data opnået i rigtige eksperimenter, til forskellige indflydelsesrige teoretiske argumenter og computersimuleringer.
Første niveau af forståelse
Hvad er protoner og neutroner lavet af?Ris. 1: en alt for forenklet version af protoner, der kun består af to op-kvarker og en ned-kvark, og neutroner, der kun består af to ned-kvarker og en op-kvark
For at forenkle sagen angiver mange bøger, artikler og websteder, at protoner består af tre kvarker (to op-kvarker og en ned-kvark) og tegner noget som fig. 1. Neutronen er den samme, kun bestående af en op- og to ned-kvarker. Dette enkle billede illustrerer, hvad nogle videnskabsmænd troede, mest i 1960'erne. Men det stod hurtigt klart, at dette synspunkt var forsimplet til det punkt, at det ikke længere var korrekt.
Fra mere sofistikerede informationskilder vil du lære, at protoner består af tre kvarker (to op og en ned) holdt sammen af gluoner - og et billede svarende til fig. 1 kan dukke op. 2, hvor gluoner er tegnet som fjedre eller strenge, der holder kvarker. Neutroner er de samme, kun med en op-kvark og to ned-kvarker.
Ris. 2: forbedring fig. 1 på grund af vægten på den vigtige rolle af den stærke kernekraft, som holder kvarker i protonen
Dette er ikke så dårlig en måde at beskrive nukleoner på, da det understreger den vigtige rolle, som den stærke kernekraft spiller, som holder kvarker i en proton på bekostning af gluoner (ligesom fotonen, partikelen, der udgør lyset, er forbundet med den elektromagnetiske kraft). Men dette er også forvirrende, fordi det ikke rigtig forklarer, hvad gluoner er, eller hvad de gør.
Der er grunde til at gå videre og beskrive tingene, som jeg gjorde i: en proton består af tre kvarker (to op og en ned), en flok gluoner og et bjerg af kvark-antikvark par (for det meste op og ned kvarker, men der er også et par mærkelige). De flyver alle frem og tilbage med meget høje hastigheder (nærmer sig lysets hastighed); hele dette sæt holdes sammen af den stærke atomkraft. Jeg demonstrerede dette i fig. 3. Neutroner er igen de samme, men med en op- og to ned-kvarker; Den kvark, der ændrede sin identitet, er angivet med en pil.
Ris. 3: mere realistisk, men stadig ufuldkommen, repræsentation af protoner og neutroner
Disse kvarker, antikvarker og gluoner suser ikke kun vildt frem og tilbage, men kolliderer også med hinanden og bliver til hinanden gennem processer som partikeludslettelse (hvor en kvark og en antikvark af samme type bliver til to gluoner, eller omvendt) eller absorption og emission af en gluon (hvor en kvark og en gluon kan kollidere og producere en kvark og to gluoner, eller omvendt).
Hvad har disse tre beskrivelser til fælles:
- To op-kvarker og en ned-kvark (plus noget andet) for en proton.
- Neutronen har en op-kvark og to ned-kvarker (plus noget andet).
- Neutronernes "noget andet" falder sammen med protonernes "noget andet". Det vil sige, at nukleonerne har det samme "noget andet".
- Den lille forskel i masse mellem protonen og neutronen opstår på grund af forskellen i masserne af down-kvarken og op-kvarken.
- for topkvarker er den elektriske ladning lig med 2/3 e (hvor e er ladningen af en proton, -e er ladningen af en elektron),
- bundkvarker har en ladning på -1/3e,
- gluoner har en ladning på 0,
- enhver kvark og dens tilsvarende antikvark har en total ladning på 0 (for eksempel har en antidown-kvark en ladning på +1/3e, så en down-kvark og en down-kvark vil have en ladning på –1/3 e +1/3 e = 0),
- protonens samlede elektriske ladning er 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- neutronens samlede elektriske ladning er 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- hvor meget "noget andet" er inde i nukleonet,
- hvad laver den der
- hvor kommer nukleonets masse og masseenergi (E = mc 2, energien til stede der selv når partiklen er i hvile) fra.
Ris. 1 siger, at kvarker i det væsentlige er en tredjedel af en nukleon, ligesom en proton eller neutron er en fjerdedel af en heliumkerne eller 1/12 af en kulstofkerne. Hvis dette billede var sandt, ville kvarkerne i nukleonen bevæge sig relativt langsomt (med hastigheder meget langsommere end lyset) med relativt svage interaktioner mellem dem (omend med en eller anden kraftig kraft, der holder dem på plads). Kvarkens masse, op og ned, ville så være i størrelsesordenen 0,3 GeV/c 2, omkring en tredjedel af protonens masse. Men dette simple billede og de ideer, det påtvinger, er simpelthen forkerte.
Ris. 3. giver en helt anden idé om protonen, som en kedel af partikler, der suser rundt i den med hastigheder tæt på lyset. Disse partikler kolliderer med hinanden, og i disse kollisioner bliver nogle af dem tilintetgjort, og andre bliver til i deres sted. Gluoner har ingen masse, masserne af topkvarkerne er i størrelsesordenen 0,004 GeV/c 2 , og masserne af bundkvarkerne er i størrelsesordenen 0,008 GeV/c 2 - hundredvis af gange mindre end en proton. Hvor energien i protonmassen kommer fra, er et komplekst spørgsmål: en del af den kommer fra energien fra massen af kvarker og antikvarker, en del fra bevægelsesenergien af kvarker, antikvarker og gluoner, og en del (muligvis positiv, måske negativ) ) fra den energi, der er lagret i den stærke nukleare interaktion, der holder kvarker, antikvarker og gluoner sammen.
På en måde viser fig. 2 forsøg på at løse forskellen mellem fig. 1 og fig. 3. Det forenkler figuren. 3, fjernelse af mange kvark-antikvark-par, som i princippet kan kaldes flygtige, da de konstant dukker op og forsvinder og ikke er nødvendige. Men det giver indtryk af, at gluonerne i nukleonerne er en direkte del af den stærke kernekraft, der holder protonerne sammen. Og det forklarer ikke, hvor protonens masse kommer fra.
I fig. 1 er der en anden ulempe ud over protonens og neutronens smalle rammer. Det forklarer ikke nogle egenskaber ved andre hadroner, for eksempel pion og rho meson. Fig. har samme problemer. 2.
Disse begrænsninger førte til, at jeg giver mine elever og på min hjemmeside billedet fra Fig. 3. Men jeg vil gerne advare dig om, at det også har mange begrænsninger, som jeg vil komme ind på senere.
Det er værd at bemærke, at den ekstreme kompleksitet af strukturen antydet af fig. 3 ville forventes af et objekt, der holdes sammen af en kraft, der er så kraftig som den stærke kernekraft. Og en ting mere: tre kvarker (to op og en ned for en proton), som ikke er en del af en gruppe af kvark-antikvarker, kaldes ofte "valenskvarker", og kvark-antikvarker kaldes et "hav af kvarkpar”. Et sådant sprog er teknisk praktisk i mange tilfælde. Men det giver det falske indtryk, at hvis man kunne se ind i en proton og se på en bestemt kvark, kunne man med det samme se, om den var en del af havet eller en valens. Dette kan ikke lade sig gøre, sådan en måde er der simpelthen ikke.
Protonmasse og neutronmasse
Da masserne af protonen og neutronen er så ens, og da protonen og neutronen kun adskiller sig ved at erstatte op-kvarken med down-kvarken, forekommer det sandsynligt, at deres masser er tilvejebragt på samme måde, kommer fra samme kilde , og deres forskel ligger i den lille forskel mellem op- og ned-kvarkerne. Men de tre figurer ovenfor indikerer tilstedeværelsen af tre meget forskellige syn på protonmassens oprindelse.Ris. 1 siger, at op- og ned-kvarkerne blot udgør 1/3 af massen af protonen og neutronen: i størrelsesordenen 0,313 GeV/c 2 eller på grund af den energi, der kræves for at holde kvarkerne i protonen. Og da forskellen mellem masserne af en proton og en neutron er en brøkdel af en procent, må forskellen mellem masserne af en op- og nedkvark også være en brøkdel af en procent.
Ris. 2 er mindre tydeligt. Hvor meget af en protons masse skyldes gluoner? Men i princippet følger det af figuren, at det meste af protonmassen stadig kommer fra massen af kvarker, som i fig. 1.
Ris. 3 afspejler en mere nuanceret tilgang til, hvordan protonens masse faktisk opstår (som vi kan teste direkte gennem computerberegninger af protonen og indirekte ved hjælp af andre matematiske metoder). Det er meget forskelligt fra ideerne præsenteret i fig. 1 og 2, og det viser sig ikke så enkelt.
For at forstå, hvordan dette virker, skal du ikke tænke i protonens masse m, men i forhold til dens masseenergi E = mc 2 , energien forbundet med masse. Konceptuelt er det korrekte spørgsmål ikke "hvor kommer massen af protonen m fra", hvorefter du kan beregne E ved at gange m med c 2 , men omvendt: "hvor kommer energien af protonmassen E fra, ” hvorefter man kan beregne massen m ved at dividere E med c 2 .
Det er nyttigt at klassificere bidrag til protonmasseenergien i tre grupper:
A) Masseenergi (hvileenergi) af kvarkerne og antikvarkerne indeholdt i den (gluoner, masseløse partikler, yder ikke noget bidrag).
B) Bevægelsesenergi (kinetisk energi) af kvarker, antikvarker og gluoner.
C) Interaktionsenergi (bindingsenergi eller potentiel energi) lagret i den stærke nukleare interaktion (mere præcist i gluonfelterne), der holder protonen.
Ris. 3 siger, at partiklerne inde i protonen bevæger sig med høj hastighed, og at den er fuld af masseløse gluoner, så bidraget fra B) er større end A). Typisk viser B) og C) sig i de fleste fysiske systemer at være sammenlignelige, mens C) ofte er negativ. Så masseenergien af protonen (og neutronen) kommer hovedsageligt fra kombinationen af B) og C), hvor A) bidrager med en lille brøkdel. Derfor fremstår masserne af protonen og neutronen hovedsageligt ikke på grund af masserne af de partikler, de indeholder, men på grund af disse partiklers bevægelsesenergier og energien af deres interaktion i forbindelse med gluonfelterne, der genererer de kræfter, der holder proton. I de fleste andre systemer, vi kender, er energibalancen anderledes fordelt. For eksempel dominerer A) i atomer og i solsystemet, og B) og C) er meget mindre og sammenlignelige i størrelsesorden.
For at opsummere, gør vi opmærksom på, at:
- Ris. 1 antager, at protonmasseenergien kommer fra bidrag A).
- Ris. 2 antager, at både bidrag A) og B) er vigtige, idet B) yder et lille bidrag.
- Ris. 3 antyder, at B) og C) er vigtige, og bidraget fra A) viser sig at være ubetydeligt.
Hvis fig. 3 ikke lyver, masserne af kvarken og antikvarken er meget små. Hvordan er de egentlig? Massen af topkvarken (såvel som antikvarken) overstiger ikke 0,005 GeV/c 2, hvilket er meget mindre end 0,313 GeV/c 2, som følger af fig. 1. (Massen af opkvarken er svær at måle og varierer på grund af subtile effekter, så den kan være meget mindre end 0,005 GeV/c2). Massen af bundkvarken er cirka 0,004 GeV/s 2 større end massen af topkvarken. Det betyder, at massen af enhver kvark eller antikvark ikke overstiger én procent af massen af en proton.
Bemærk, at dette betyder (i modsætning til fig. 1), at forholdet mellem down-quark og up-quark-masse ikke nærmer sig enhed! Massen af down-kvarken er mindst dobbelt så stor som massen af up-kvarken. Grunden til, at masserne af neutronen og protonen er så ens, er ikke, fordi masserne af op- og ned-kvarkerne er ens, men fordi masserne af op- og ned-kvarkerne er meget små - og forskellen mellem dem er lille, relativ til masserne af protonen og neutronen. Husk, at for at omdanne en proton til en neutron, skal du blot erstatte en af dens op-kvarker med en ned-kvark (Figur 3). Denne udskiftning er nok til at gøre neutronen lidt tungere end protonen og ændre dens ladning fra +e til 0.
Det, at de forskellige partikler inde i protonen kolliderer med hinanden, og konstant dukker op og forsvinder, påvirker i øvrigt ikke de ting, vi diskuterer – energi bevares ved enhver kollision. Masseenergien og bevægelsesenergien for kvarker og gluoner kan ændre sig, ligesom energien af deres interaktion, men protonens samlede energi ændres ikke, selvom alt inde i den ændrer sig konstant. Så massen af protonen forbliver konstant, på trods af dens indre hvirvel.
På dette tidspunkt kan du stoppe og absorbere den modtagne information. Fantastiske! Stort set al massen i almindeligt stof kommer fra massen af nukleoner i atomer. Og det meste af denne masse kommer fra det kaos, der er iboende i protonen og neutronen - fra bevægelsesenergien af kvarker, gluoner og antikvarker i nukleoner og fra energien fra de stærke nukleare interaktioner, der holder nukleonen i hele sin tilstand. Ja: vores planet, vores kroppe, vores åndedræt er resultatet af en sådan stille, og indtil for nylig, utænkelig pandemonium.
Aktobe, 2014
Hadron. En klasse af elementære partikler, der deltager i den stærke interaktion. Hadroner består af kvarker og er opdelt i to grupper: baryoner (fra tre kvarker) og mesoner (fra en kvark og en antikvark). Det meste af det stof, vi observerer, består af baryoner: protoner og nukleoner, der er en del af atomkerner.
Radioaktiv kildeaktivitet- forholdet mellem det samlede antal henfald af radioaktive kerner i en radioaktiv kilde og henfaldstiden.
Alfa-stråling- en type ioniserende stråling - en strøm af positivt ladede partikler (alfapartikler), der udsendes under radioaktivt henfald og nukleare reaktioner. Den gennemtrængende kraft af alfastråling er lav (den er blokeret af et ark papir). Det er ekstremt farligt for kilder til alfastråling at komme ind i kroppen gennem mad, luft eller gennem beskadiget hud.
Alfa henfald(eller α-henfald) - spontan emission af alfapartikler (helium atomkerner) fra atomkerner
Alfa partikel- en partikel bestående af to protoner og to neutroner. Identisk med kernen i et heliumatom.
Tilintetgørelse- samspillet mellem en elementær partikel og en antipartikel, som et resultat af hvilken de forsvinder, og deres energi omdannes til elektromagnetisk stråling.
Annihilation er reaktionen mellem en partikel og en antipartikel, der omdannes til andre partikler ved kollision.
Antipartikel er en partikel, der har de samme værdier af masse, spin, ladning og andre fysiske egenskaber som sin "tvilling" partikel, men adskiller sig fra den i tegnene på nogle interaktionskarakteristika (for eksempel tegnet på den elektriske ladning) .
Antipartikler er tvillinger af almindelige elementarpartikler, som adskiller sig fra sidstnævnte i tegnet på deres elektriske ladning og tegnene på nogle andre egenskaber. Partiklen og antipartiklen har de samme masser, spins og levetider.
AC- atomkraftværk - en industrivirksomhed til produktion af elektrisk eller termisk energi ved hjælp af en eller flere atomkraftreaktorer og et sæt nødvendige systemer, anordninger, udstyr og strukturer med det nødvendige personale
Atom- den mindste partikel af et kemisk grundstof, der bevarer sine egenskaber. Består af en kerne med protoner og neutroner og elektroner, der bevæger sig rundt om kernen. Antallet af elektroner i et atom er lig med antallet af protoner i kernen.
Atommasse- massen af et atom af et kemisk grundstof, udtrykt i atomare masseenheder (amu). For 1 amu 1/12 af massen af kulstofisotopen med atommasse 12 accepteres.1 amu = 1,6605655·10-27 kg. Atommasse er summen af masserne af alle protoner og neutroner i et givet atom.
Atomkerne- den positivt ladede centrale del af atomet, som elektroner roterer omkring, og hvori næsten hele atomets masse er koncentreret. Består af protoner og neutroner. Kerneladningen bestemmes af den samlede ladning af protonerne i kernen og svarer til det kemiske grundstofs atomnummer i grundstoffernes periodiske system.
Baryoner– partikler bestående af tre kvarker, som bestemmer deres kvantetal. Alle baryoner, med undtagelse af protonen, er ustabile.
Opbevaringspool- et anlæg placeret på reaktorstedet for et atomkraftværk til midlertidig opbevaring af brugt nukleart brændsel under et lag vand for at reducere radioaktivitet og henfaldsvarme.
Becquerel(Bq) er SI-aktivitetsenheden for et radioaktivt stof. 1 Bq er lig med aktiviteten af et radioaktivt stof, hvor der sker én henfaldsbegivenhed på 1 s.
β γ stråler- flow af hurtige elektroner.
α-stråler- flow af heliumkerner.
y-stråler- elektromagnetiske bølger med en meget kort bølgelængde (L ~ 10 -10 m).
Betastråling- en type ioniserende stråling - en strøm af elektroner eller positroner, der udsendes under nukleare reaktioner eller radioaktivt henfald. Betastråling kan trænge ind i kropsvæv i en dybde på 1 cm.. Det udgør en fare for mennesker både ud fra et synspunkt om ekstern og intern eksponering.
Beta partikler– elektroner og positroner udsendt af atomkerner, samt en fri neutron under beta-henfald. Under det elektroniske beta-henfald af en atomkerne udsendes en elektron e - (såvel som en antineutrino), under positron-henfaldet af kerner udsendes en positron e + (og en neutrino ν). Henfaldet af en fri neutron (n) producerer en proton (p), en elektron og en antineutrino: n → p + e - +.
Elektron og positron– stabile partikler med spin J = 1/2 (indre mekanisk vinkelmoment), der tilhører klassen af leptoner. En positron er en antipartikel til en elektron.
Biologisk beskyttelse- en strålingsbarriere skabt omkring reaktorkernen og dens kølesystem for at forhindre de skadelige virkninger af neutron- og gammastråling på personale, offentligheden og miljøet. På et atomkraftværk er hovedmaterialet til biologisk beskyttelse beton. For højeffektreaktorer når tykkelsen af betonbeskyttelsesskærmen flere meter.
Bosoner(fra navnet på den indiske fysiker S. Bose) – elementarpartikler, atomkerner, atomer med nul eller heltals spin (0ћ, 1ћ, 2ћ, …).
Hurtige neutroner- neutroner, hvis kinetiske energi er højere end en vis vis værdi. Denne værdi kan variere over et bredt område og afhænger af anvendelsen (reaktorfysik, beskyttelse eller dosimetri). I reaktorfysik er denne værdi oftest valgt til 0,1 MeV.
Wilson kammer– en spordetektor af elementært ladede partikler, hvor sporet (sporet) af en partikel er dannet af en kæde af små dråber væske langs dens bevægelsesbane.
Gammastråling- en type ioniserende stråling - elektromagnetisk stråling, der udsendes under radioaktivt henfald og nukleare reaktioner, forplanter sig med lysets hastighed og har høj energi og gennemtrængende evne. Effektivt svækket ved interaktion med tunge elementer, såsom bly. For at dæmpe gammastråling i atomreaktorer på atomkraftværker anvendes en tykvægget beskyttelsesskærm af beton.
Lov om radioaktivt henfald- den lov, hvorved antallet af uhenfaldne atomer findes: N = N 0 2 -t/T.
Deuterium- "tung" isotop af brint med atommasse 2.
Detektor for ioniserende stråling- et følsomt element i et måleinstrument designet til at registrere ioniserende stråling. Dens handling er baseret på fænomener, der opstår, når stråling passerer gennem stof.
Stråledosis- i strålingssikkerhed - et mål for virkningen af ioniserende stråling på et biologisk objekt, især en person. Der er eksponering, absorberede og tilsvarende doser.
Overskydende masse(eller massefejl) – udtrykt i energienheder, forskellen mellem massen af et neutralt atom og produktet af antallet af nukleoner (det samlede antal protoner og neutroner) i kernen af dette atom pr. atommasseenhed
Isotoper- nuklider, der har samme atomnummer, men forskellige atommasser (f.eks. uran-235 og uran-238).
Isotoper– atomkerner med det samme antal protoner Z, et andet antal neutroner N og derfor et andet massetal A = Z + N. Eksempel: isotoper af calcium Ca (Z = 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca.
Radioaktive isotoper er isotopkerner, der gennemgår radioaktivt henfald. De fleste kendte isotoper er radioaktive (~3500).
Wilson kammer- en anordning til at observere spor af mikropartikler, der bevæger sig med høj hastighed (elektroner, protoner, alfapartikler osv.). Skabt i 1912 af den engelske fysiker Wilson.
En kvark er en elementært ladet partikel, der deltager i den stærke vekselvirkning. Protoner og neutroner består hver af tre kvarker.
Kosmisk stråling- ioniserende baggrundsstråling, som består af primær stråling, der kommer fra det ydre rum, og sekundær stråling, der stammer fra den primære strålings interaktion med atmosfæren.
Kosmiske stråler er strømme af ladede elementære partikler med høj energi (hovedsageligt protoner, alfapartikler og elektroner), der forplanter sig i det interplanetariske og interstellare rum og kontinuerligt "bombarderer" Jorden.
Reproduktionshastighed- den vigtigste egenskab ved en fissionskædereaktion, der viser forholdet mellem antallet af neutroner i en given generation og antallet af neutroner fra den foregående generation i et uendeligt miljø. En anden definition af multiplikationsfaktoren bruges ofte - forholdet mellem hastighederne for generering og absorption af neutroner.
Kritisk masse- den mindste masse af brændsel, hvori en selvopretholdende nuklear fissionskædereaktion kan forekomme givet en bestemt udformning og sammensætning af kernen (afhænger af mange faktorer, f.eks.: brændselssammensætning, moderator, kerneform osv.).
Curie (Ci)- ekstrasystemisk aktivitetsenhed, indledningsvis aktiviteten af 1 g af radium-226 isotopen. 1Ci=3,7·1010 Bq.
Kritisk masse(tk) - den mindste masse af nukleart brændsel (uran, plutonium), ved hvilken en nuklear kædereaktion opstår.
Curie(Ci) er en off-system aktivitetsenhed af et radioaktivt stof. 1 Ci = 3,7 10 10 Bq.
Leptoner(fra det græske leptos - lette, små) - en gruppe punktpartikler med et spin på 1/2ћ, der ikke deltager i stærke interaktioner. Lepton størrelse (hvis den findes)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- elektron (e –) og elektronneutrino (ν e),
- myon (μ –) og myon neutrino (ν μ),
- tau lepton (τ –) og tau neutrino (ν τ),
Magiske kerner er atomkerner, der indeholder de såkaldte magiske tal af protoner eller neutroner.
| Z | |||||||
| N |
Disse kerner har en bindingsenergi, der er større end nabokerner. De har en højere nukleonseparationsenergi og er mere almindelige i naturen.
Massenummer(A) - det samlede antal nukleoner (protoner og neutroner) i atomkernen; en af atomkernens hovedkarakteristika.
Dosishastighed- forholdet mellem stigningen i strålingsdosis over et tidsinterval og dette interval (f.eks.: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, μrem/h, μSv/h).
Neutron- en neutral elementarpartikel med en masse tæt på en protons masse. Sammen med protoner danner neutroner atomkernen. I fri tilstand er den ustabil og henfalder til en proton og en elektron.
Nuklid- en type atom med et vist antal protoner og neutroner i kernen, karakteriseret ved atommasse og atomart (ordinal) nummer.
Berigelse (ved isotop):
2. En proces, der resulterer i en stigning i indholdet af en bestemt isotop i en blanding af isotoper.
Uranmalm berigelse- et sæt processer til den primære forarbejdning af mineralske uranholdige råstoffer, med det formål at adskille uran fra andre mineraler, der udgør malmen. I dette tilfælde er der ingen ændring i sammensætningen af mineralerne, men kun deres mekaniske adskillelse til fremstilling af malmkoncentrat.
Beriget nukleart brændsel- nukleart brændsel, hvor indholdet af fissile nuklider er større end i de oprindelige naturlige råstoffer.
Beriget uran- uran, hvor indholdet af uran-235 isotopen er højere end i naturligt uran.
Halvt liv(T) er det tidsinterval, hvor halvdelen af det oprindelige antal kerner vil henfalde.
Halvt liv– den tid, hvor halvdelen af de radioaktive kerner henfalder. Denne størrelse, betegnet T 1/2, er en konstant for en given radioaktiv kerne (isotop). Værdien T 1/2 karakteriserer klart henfaldshastigheden af radioaktive kerner og svarer til to andre konstanter, der karakteriserer denne hastighed: den gennemsnitlige levetid for en radioaktiv kerne τ og sandsynligheden for henfald af en radioaktiv kerne pr. tidsenhed λ.
Absorberet stråledosis- forholdet mellem den absorberede energi E af ioniserende stråling og massen af det bestrålede stof.
Bohrs postulater- grundlæggende antagelser indført uden bevis af N. Bohr, som danner grundlag for atomets kvanteteori.
Offset-regel: under a-henfald mister kernen sin positive ladning 2e, og dens masse falder med ca. 4 amu; Under b-henfald stiger kernens ladning med 1e, men massen ændres ikke.
Halveringstid af et radionuklid- det tidsrum, hvor antallet af kerner i et givet radionuklid som følge af spontant henfald vil falde til det halve.
Positron- en antipartikel af en elektron med en masse svarende til elektronens masse, men en positiv elektrisk ladning.
Proton- en stabil positivt ladet elementarpartikel med en ladning på 1,61·10-19 C og en masse på 1,66·10-27 kg. Protonen danner kernen i en "let" isotop af brintatomet (protium). Antallet af protoner i kernen af ethvert grundstof bestemmer ladningen af kernen og atomnummeret for det element.
Radioaktivitet- spontan transformation (radioaktivt henfald) af et ustabilt nuklid til et andet nuklid, ledsaget af emission af ioniserende stråling.
Radioaktivitet- nogle atomkernes evne til spontant at omdanne sig til andre kerner og udsende forskellige partikler.
Radioaktivt henfald- spontan nuklear transformation.
Opdrætter reaktor- en hurtig reaktor, hvor omregningsfaktoren overstiger 1, og der udføres udvidet reproduktion af nukleart brændsel.
Geigertæller(eller Geiger-Muller-tæller) er en gasfyldt tæller af ladede elementarpartikler, hvorfra det elektriske signal forstærkes på grund af den sekundære ionisering af tællerens gasvolumen og ikke afhænger af den energi, som partiklen efterlader i denne. bind.
Brændstofelement- brændstofelement. Det vigtigste strukturelle element i kernen af en heterogen reaktor, i form af hvilket brændstof indlæses i den. I brændselselementer forekommer tunge kerner U-235, Pu-239 eller U-233 fission, ledsaget af frigivelse af energi, og termisk energi overføres fra dem til kølevæsken. Brændselselementer består af en brændselskerne, beklædning og endedele. Typen af brændselselement bestemmes af typen og formålet med reaktoren og kølevæskens parametre. Brændstofelementet skal sikre pålidelig varmefjernelse fra brændstoffet til kølevæsken.
Arbejder krop- medium (kølemiddel), der bruges til at omdanne termisk energi til mekanisk energi.
Mørkt stof− usynligt (ikke-emitterende og ikke-absorberende) stof. Dens eksistens er bestemt bevist af gravitationseffekter. Observationsdata tyder også på, at denne mørke stof-energi er opdelt i to dele:
- den første er det såkaldte mørke stof med en tæthed
W dm = 0,20–0,25, – ukendte, svagt interagerende massive partikler (ikke baryoner). Disse kunne for eksempel være stabile neutrale partikler med masser fra 10 GeV/c2 til 10 TeV/c2, forudsagt af supersymmetriske modeller, herunder hypotetiske tunge neutrinoer;
den anden er den såkaldte mørke energi med en tæthed
W Λ = 0,70–0,75), hvilket tolkes som vakuum. Dette refererer til en særlig form for stof - fysisk vakuum, dvs. den laveste energitilstand af fysiske felter, der gennemsyrer rummet.
Termonukleære reaktioner− reaktioner af fusion (syntese) af lette kerner, der forekommer ved høje temperaturer. Disse reaktioner involverer normalt frigivelse af energi, da nukleonerne i den tungere kerne dannet som følge af sammensmeltningen er stærkere bundet, dvs. har i gennemsnit en højere bindingsenergi end i de oprindelige sammensmeltende kerner. Den overskydende totale bindingsenergi af nukleoner frigives i form af kinetisk energi af reaktionsprodukter. Navnet "termonukleære reaktioner" afspejler det faktum, at disse reaktioner forekommer ved høje temperaturer ( > 10 7 –10 8 K), da lette kerner til fusion skal samles til afstande svarende til virkningsradius for nukleare tiltrækningskræfter, dvs. op til afstande på ≈10 -13 cm.
Transuraniske elementer− kemiske grundstoffer med en ladning (antal protoner) større end uran, dvs. Z>92.
Fission kædereaktion- en selvopretholdende fissionsreaktion af tunge kerner, hvor neutroner kontinuerligt produceres, som deler flere og flere nye kerner.
Fission kædereaktion- rækkefølgen af fissionsreaktionen af tunge atomers kerner, når de interagerer med neutroner eller andre elementarpartikler, hvorved der dannes lettere kerner, nye neutroner eller andre elementarpartikler, og kerneenergi frigives.
Nuklear kædereaktion- en sekvens af nukleare reaktioner exciteret af partikler (f.eks. neutroner) født i hver reaktionsbegivenhed. Afhængigt af det gennemsnitlige antal reaktioner efter en foregående - mindre end, lig med eller større end én - kaldes reaktionen henfaldende, selvopretholdende eller stigende.
Nukleare kædereaktioner– selvopretholdende nukleare reaktioner, hvor en kæde af kerner er sekventielt involveret. Dette sker, når et af produkterne af en kernereaktion reagerer med en anden kerne, produktet af en anden reaktion reagerer med den næste kerne, og så videre. En kæde af nukleare reaktioner følger efter hinanden. Det mest berømte eksempel på en sådan reaktion er den nukleare fissionsreaktion forårsaget af en neutron
Eksoterme reaktioner- nukleare reaktioner, der opstår med frigivelse af energi.
Elementære partikler- de mindste partikler af fysisk stof. Idéer om elementarpartikler afspejler det stadie i viden om stoffets struktur, som er opnået af moderne videnskab. Sammen med antipartikler er omkring 300 elementarpartikler blevet opdaget. Udtrykket "elementarpartikler" er betinget, da mange elementarpartikler har en kompleks indre struktur.
Elementære partikler– materielle genstande, der ikke kan opdeles i deres bestanddele. I overensstemmelse med denne definition kan molekyler, atomer og atomkerner, der kan opdeles i komponentdele, ikke klassificeres som elementarpartikler - et atom er opdelt i en kerne og orbitale elektroner, en kerne i nukleoner.
Energiproduktion fra en kernereaktion- forskellen mellem resten af energierne af kerner og partikler før og efter reaktionen.
Endoterme reaktioner- nukleare reaktioner, der opstår ved optagelse af energi.
Bindingsenergi af en atomkerne(E St) - karakteriserer intensiteten af vekselvirkningen mellem nukleoner i kernen og er lig med den maksimale energi, der skal forbruges for at opdele kernen i individuelle ikke-interagerende nukleoner uden at give kinetisk energi til dem.
Mössb effekt uaera - fænomenet med resonansabsorption af gammakvanter af atomkerner uden tab af energi på grund af momentumretur.
Nuklear (planetarisk) model af atomet- i midten er der en positivt ladet kerne (diameter ca. 10 -15 m); rundt om kernen, ligesom planeterne i solsystemet, bevæger elektroner sig i cirkulære baner.
Nukleare modeller– forenklede teoretiske beskrivelser af atomkerner, baseret på repræsentationen af kernen som et objekt med tidligere kendte karakteristiske egenskaber.
Nuklear fissionsreaktion- reaktion af fission af atomkerner af tunge grundstoffer under påvirkning af neutroner.
Nuklear reaktion- reaktionen af transformation af atomkerner som et resultat af interaktion med hinanden eller med eventuelle elementære partikler.
Atomkraft- dette er den energi, der frigives som et resultat af den interne omstrukturering af atomkerner. Kerneenergi kan opnås fra nukleare reaktioner eller radioaktivt henfald af kerner. De vigtigste kilder til kerneenergi er fissionsreaktioner af tunge kerner og fusion (kombination) af lette kerner. Sidstnævnte proces kaldes også termonukleære reaktioner.
Atomkræfter- kræfter, der virker mellem nukleoner i atomkerner og bestemmer kernernes struktur og egenskaber. De er kortrækkende, deres rækkevidde er 10 -15 m.
Atomreaktor- en anordning, hvori en kontrolleret kædereaktion af nuklear fission udføres.
En selvopretholdende fissionskædereaktion er en kædereaktion i et medium, hvor multiplikationsfaktoren k >= 1.
Atomulykke- en nuklear ulykke er tab af kontrol over kædereaktionen i reaktoren eller dannelsen af en kritisk masse under genopladning, transport og opbevaring af brændselselementer. Som et resultat af en nuklear ulykke, på grund af en ubalance mellem genereret og fjernet varme, bliver brændselsstave beskadiget med frigivelse af radioaktive fissionsprodukter. I dette tilfælde bliver farlig eksponering af mennesker og forurening af det omkringliggende område potentielt muligt. .
Nuklear sikkerhed- en generel betegnelse, der karakteriserer et nukleart anlægs egenskaber under normal drift og i tilfælde af en ulykke for at begrænse strålingspåvirkningen af personale, offentligheden og miljøet til acceptable grænser.
Nuklear fission- en proces, der ledsages af spaltning af kernen af et tungt atom, når det interagerer med en neutron eller en anden elementær partikel, hvorved der dannes lettere kerner, nye neutroner eller andre elementarpartikler, og energi frigives.
Nukleart materiale- ethvert udgangsmateriale, særligt nukleart materiale og nogle gange malme og malmaffald.
Nuklear transformation- transformation af et nuklid til et andet.
Atomreaktor- et apparat, hvori der opstår en kontrolleret kernekædereaktion. Atomreaktorer er klassificeret efter formål, neutronenergi, type kølemiddel og moderator, kernestruktur, design og andre karakteristiske træk.
Nuklear reaktion- transformation af atomkerner forårsaget af deres interaktion med elementarpartikler eller med hinanden og ledsaget af en ændring i kernernes masse, ladning eller energitilstand.
Atombrændsel- materiale indeholdende fissile nuklider, som, når de placeres i en atomreaktor, tillader en nuklear kædereaktion. Den har en meget høj energiintensitet (med den fuldstændige fission på 1 kg U-235 frigives energi svarende til J, mens forbrændingen af 1 kg organisk brændstof frigiver energi i størrelsesordenen (3-5) J, afhængigt af på brændstoftypen).
Nuklear brændselskredsløb- et sæt foranstaltninger til at sikre, at atomreaktorer fungerer i et system af virksomheder, der er indbyrdes forbundet af strømmen af nukleart materiale, og som omfatter uranminer, anlæg til behandling af uranmalm, uranomdannelse, berigelse og brændselsproduktion, atomreaktorer, brugt brændsel oplagringsfaciliteter, brændselsanlæg til oparbejdning af brugt brændsel og tilhørende mellemlagerfaciliteter og faciliteter til bortskaffelse af radioaktivt affald
Nuklear installation- ethvert anlæg, hvor radioaktive eller fissile materialer genereres, behandles eller håndteres i sådanne mængder, at det er nødvendigt at tage hensyn til nuklear sikkerhed.
Atomkraft- indre energi af atomkerner frigivet under nuklear fission eller nukleare reaktioner.
Atomkraftreaktor- en atomreaktor, hvis hovedformål er at generere energi.
Atomreaktor- en atomreaktor er en enhed designet til at organisere en kontrolleret selvopretholdende fissionskædereaktion - en sekvens af nukleare fissionsreaktioner, hvor frie neutroner frigives, som er nødvendige for fission af nye kerner.
Hurtig neutron atomreaktor- reaktorer adskiller sig væsentligt i neutronspektret - neutronernes fordeling efter energi og følgelig i spektret af absorberede (forårsager nuklear fission) neutroner. Hvis kernen ikke indeholder lette kerner, der er specielt designet til moderering som følge af elastisk spredning, så skyldes næsten al moderering uelastisk spredning af neutroner af tunge og mellemstore kerner. I dette tilfælde er de fleste spaltninger forårsaget af neutroner med energier af størrelsesordenen tiere og hundreder af keV. Sådanne reaktorer kaldes hurtige neutronreaktorer.
Termisk neutron atomreaktor- en reaktor, hvis kerne indeholder en sådan mængde moderator - et materiale designet til at reducere neutronernes energi uden at absorbere dem mærkbart - at de fleste spaltninger er forårsaget af neutroner med energier mindre end 1 eV.
Atomkræfter- kræfter, der holder nukleoner (protoner og neutroner) i kernen.
Atomkræfter er korttidsvirkende . De optræder kun ved meget små afstande mellem nukleoner i kernen af størrelsesordenen 10 -15 m. Længden (1,5 - 2,2) 10 -15 kaldes række atomkræfter .
Nukleare kræfter opdager lade uafhængighed , dvs. tiltrækningen mellem to nukleoner er den samme uanset ladningstilstanden af nukleonerne - proton eller neutron.
Atomkræfter har mætning egenskab , hvilket viser sig ved, at et nukleon i en kerne kun interagerer med et begrænset antal nabonukleoner tættest på sig. Næsten fuldstændig mætning af kernekræfter opnås i α-partiklen, som er en meget stabil formation.
Atomkræfter afhænge af orienteringen af spins af interagerende nukleoner . Dette bekræftes af den anderledes karakter af neutronspredning af orto- og brintdampmolekyler.
Atomkræfter er ikke centrale kræfter .
Ved at studere stoffets struktur fandt fysikere ud af, hvad atomer er lavet af, kom til atomkernen og splittede den i protoner og neutroner. Alle disse trin blev givet ret nemt - du skulle bare accelerere partiklerne til den nødvendige energi, skubbe dem mod hinanden, og så ville de selv falde fra hinanden i deres bestanddele.
Men med protoner og neutroner virkede dette trick ikke længere. Selvom de er sammensatte partikler, kan de ikke "brydes i stykker" i selv den mest voldsomme kollision. Derfor tog det fysikere årtier at finde på forskellige måder at se ind i protonen, se dens struktur og form. I dag er studiet af protonens struktur et af partikelfysikkens mest aktive områder.
Naturen giver hints
Historien om at studere strukturen af protoner og neutroner går tilbage til 1930'erne. Da man ud over protoner opdagede neutroner (1932), efter at have målt deres masse, blev fysikere overraskede over at opdage, at det var meget tæt på en protons masse. Desuden viste det sig, at protoner og neutroner "føler" nuklear interaktion på nøjagtig samme måde. Så identisk, at en proton og en neutron fra kernekræfternes synspunkt kan betragtes som to manifestationer af den samme partikel - en nukleon: en proton er en elektrisk ladet nukleon, og en neutron er en neutral nukleon. Byt protoner til neutroner og kernekræfter vil (næsten) intet mærke.
Fysikere udtrykker denne egenskab ved naturen som symmetri - nuklear interaktion er symmetrisk med hensyn til udskiftning af protoner med neutroner, ligesom en sommerfugl er symmetrisk med hensyn til udskiftning af venstre med højre. Denne symmetri, udover at spille en vigtig rolle i kernefysik, var faktisk det første hint om, at nukleoner havde en interessant indre struktur. Sandt nok, i 30'erne indså fysikere ikke dette tip.
Forståelsen kom senere. Det begyndte med det faktum, at forskerne i 1940-50'erne, i reaktionerne fra kollisioner af protoner med kernerne af forskellige elementer, blev overrasket over at opdage flere og flere nye partikler. Ikke protoner, ikke neutroner, ikke de dengang opdagede pi-mesoner, som holder nukleoner i kerner, men nogle helt nye partikler. På trods af deres mangfoldighed havde disse nye partikler to fælles egenskaber. For det første deltog de, ligesom nukleoner, meget villigt i nukleare interaktioner - nu kaldes sådanne partikler hadroner. Og for det andet var de ekstremt ustabile. De mest ustabile af dem henfaldt til andre partikler på bare en billiontedel af et nanosekund, og havde ikke engang tid til at flyve på størrelse med en atomkerne!
I lang tid var hadron "zoo" et komplet rod. I slutningen af 1950'erne havde fysikere allerede lært en hel del forskellige typer hadroner, begyndte at sammenligne dem med hinanden og så pludselig en vis generel symmetri, ja periodicitet, i deres egenskaber. Det blev foreslået, at der inde i alle hadroner (inklusive nukleoner) er nogle simple genstande kaldet "kvarker". Ved at kombinere kvarker på forskellige måder er det muligt at opnå forskellige hadroner, og af nøjagtig samme type og med de samme egenskaber, som blev opdaget i forsøget.
Hvad gør en proton til en proton?
Efter at fysikere opdagede hadronernes kvarkstruktur og lærte, at kvarker findes i flere forskellige varianter, blev det klart, at mange forskellige partikler kunne konstrueres af kvarker. Så ingen blev overrasket, da efterfølgende eksperimenter fortsatte med at finde nye hadroner efter hinanden. Men blandt alle hadronerne blev der opdaget en hel familie af partikler, der ligesom protonen kun bestod af to u-kvarker og en d-kvark. En slags "bror" til protonen. Og her fik fysikerne en overraskelse.
Lad os først gøre en simpel observation. Hvis vi har flere genstande, der består af de samme "klodser", så indeholder tungere genstande flere "klodser", og lettere indeholder færre. Dette er et meget naturligt princip, som man kan kalde kombinationsprincippet eller princippet om overbygning, og det fungerer perfekt både i hverdagen og i fysikken. Det viser sig endda i strukturen af atomkerner – tungere kerner består trods alt blot af et større antal protoner og neutroner.
Men på kvarker-niveau virker dette princip slet ikke, og ganske vist har fysikere endnu ikke helt fundet ud af hvorfor. Det viser sig, at protonens tunge brødre også består af de samme kvarker som protonen, selvom de er halvanden eller endda to gange tungere end protonen. De adskiller sig fra protonen (og adskiller sig fra hinanden) ikke sammensætning, og gensidig Beliggenhed kvarker, efter den tilstand, hvori disse kvarker er i forhold til hinanden. Det er nok at ændre kvarkernes relative position – og fra protonen får vi en anden, mærkbart tungere, partikel.
Hvad vil der ske, hvis du stadig tager og samler mere end tre kvarker sammen? Kommer der en ny tung partikel? Overraskende nok virker det ikke - kvarkerne vil bryde op i tre og blive til flere spredte partikler. Af en eller anden grund "kan naturen ikke lide" at kombinere mange kvarker til en helhed! Først for ganske nylig, bogstaveligt talt i de senere år, begyndte der at dukke antydninger op om, at nogle multi-kvark-partikler eksisterer, men dette understreger kun, hvor meget naturen ikke kan lide dem.
En meget vigtig og dyb konklusion følger af denne kombinatorik - massen af hadroner består slet ikke af massen af kvarker. Men hvis massen af en hadron kan øges eller formindskes ved blot at rekombinere dens bestanddele, så er det ikke kvarkerne selv, der er ansvarlige for massen af hadroner. Og faktisk, i efterfølgende eksperimenter var det muligt at finde ud af, at massen af kvarkerne selv kun er omkring to procent af massen af protonen, og resten af tyngdekraften opstår på grund af kraftfeltet (specielle partikler - gluoner), der binder kvarkerne sammen. Ved at ændre den relative position af kvarker for eksempel ved at flytte dem længere væk fra hinanden, ændrer vi derved gluonskyen, og gør den mere massiv, hvorfor hadronmassen øges (fig. 1).
Hvad sker der inde i en hurtigt bevægende proton?
Alt beskrevet ovenfor vedrører en stationær proton; på fysikernes sprog er dette strukturen af protonen i dens hvileramme. I eksperimentet blev protonens struktur dog først opdaget under andre forhold – indeni hurtigt flyvende proton.
I slutningen af 1960'erne, i eksperimenter med partikelkollisioner ved acceleratorer, blev det bemærket, at protoner, der bevægede sig med nærlyshastighed, opførte sig, som om energien inde i dem ikke var jævnt fordelt, men var koncentreret i individuelle kompakte objekter. Den berømte fysiker Richard Feynman foreslog at kalde disse stofklumper inde i protoner partons(fra engelsk en del - En del).
Efterfølgende eksperimenter undersøgte mange af partons egenskaber - for eksempel deres elektriske ladning, deres antal og den del af protonenergi hver bærer. Det viser sig, at ladede partoner er kvarker, og neutrale partoner er gluoner. Ja, de samme gluoner, som i protonens hvileramme blot "tjente" kvarkerne og tiltrækker dem til hinanden, er nu uafhængige partoner og bærer sammen med kvarker "stoffet" og energien fra en hurtigt bevægende proton. Eksperimenter har vist, at cirka halvdelen af energien er lagret i kvarker og halvdelen i gluoner.
Partoner studeres mest bekvemt ved kollisioner af protoner med elektroner. Faktum er, at i modsætning til en proton deltager en elektron ikke i stærke nukleare interaktioner, og dens kollision med en proton ser meget simpel ud: elektronen udsender en virtuel foton i meget kort tid, som styrter ned i en ladet parton og i sidste ende genererer en stort antal partikler (fig. 2). Vi kan sige, at elektronen er en fremragende skalpel til at "åbne" protonen og dele den op i separate dele - dog kun i meget kort tid. Ved at vide, hvor ofte sådanne processer forekommer ved en accelerator, kan man måle antallet af partoner inde i en proton og deres ladninger.
Hvem er partonerne egentlig?
Og her kommer vi til endnu en fantastisk opdagelse, som fysikere gjorde, mens de studerede kollisioner af elementarpartikler ved høje energier.
Under normale forhold har spørgsmålet om, hvad dette eller hint objekt består af, et universelt svar for alle referencesystemer. Et vandmolekyle består for eksempel af to brintatomer og et oxygenatom – og det er lige meget, om vi ser på et stationært eller bevægeligt molekyle. Men denne regel virker så naturlig! - krænkes, hvis vi taler om elementarpartikler, der bevæger sig med hastigheder tæt på lysets hastighed. I en referenceramme kan en kompleks partikel bestå af et sæt underpartikler og i en anden referenceramme af en anden. Det viser sig at sammensætning er et relativt begreb!
Hvordan kan det være? Nøglen her er en vigtig egenskab: antallet af partikler i vores verden er ikke fast - partikler kan fødes og forsvinde. For eksempel, hvis du skubber to elektroner sammen med en tilstrækkelig høj energi, så kan der udover disse to elektroner fødes enten en foton eller et elektron-positron-par eller nogle andre partikler. Alt dette er tilladt af kvantelove, og det er præcis, hvad der sker i rigtige eksperimenter.
Men denne "lov om ikke-bevaring" af partikler virker i tilfælde af sammenstød partikler. Hvordan sker det, at den samme proton fra forskellige synsvinkler ser ud som om den består af et andet sæt partikler? Pointen er, at en proton ikke bare er tre kvarker sat sammen. Der er et gluonkraftfelt mellem kvarkerne. Generelt er et kraftfelt (såsom et tyngdefelt eller et elektrisk felt) en slags materiel "entitet", der gennemtrænger rummet og tillader partikler at udøve en kraftig indflydelse på hinanden. I kvanteteorien består feltet også af partikler, om end specielle - virtuelle. Antallet af disse partikler er ikke fast; de "spirer" konstant fra kvarker og absorberes af andre kvarker.
Hviler En proton kan virkelig opfattes som tre kvarker med gluoner, der springer imellem dem. Men hvis vi ser på den samme proton fra en anden referenceramme, som fra vinduet af et "relativistisk tog", der passerer forbi, vil vi se et helt andet billede. De virtuelle gluoner, der limede kvarkerne sammen, vil virke mindre virtuelle, "mere ægte" partikler. De er selvfølgelig stadig født og absorberet af kvarker, men samtidig lever de for sig selv i nogen tid og flyver ved siden af kvarkerne, som rigtige partikler. Hvad der ligner et simpelt kraftfelt i en referenceramme, bliver til en strøm af partikler i en anden ramme! Bemærk, at vi ikke rører selve protonen, men kun ser på den fra en anden referenceramme.
Desuden. Jo tættere hastigheden af vores "relativistiske tog" er på lysets hastighed, jo mere fantastisk vil billedet se inde i protonen. Når vi nærmer os lysets hastighed, vil vi bemærke, at der er flere og flere gluoner inde i protonen. Desuden deler de sig nogle gange i kvark-antikvark-par, som også flyver i nærheden og også betragtes som partoner. Som følge heraf opstår en ultrarelativistisk proton, dvs. en proton, der bevæger sig i forhold til os med en hastighed meget tæt på lysets hastighed, i form af gennemtrængende skyer af kvarker, antikvarker og gluoner, der flyver sammen og ser ud til at støtte hinanden (fig. . 3).
En læser, der er bekendt med relativitetsteorien, kan være bekymret. Al fysik er baseret på princippet om, at enhver proces forløber på samme måde i alle inerti-referencerammer. Men det viser sig, at sammensætningen af protonen afhænger af den referenceramme, hvorfra vi observerer den?!
Ja, præcis, men dette er på ingen måde i strid med relativitetsprincippet. Resultaterne af fysiske processer - for eksempel hvilke partikler og hvor mange der produceres som følge af en kollision - viser sig at være invariable, selvom protonens sammensætning afhænger af referencerammen.
Denne situation, der er usædvanlig ved første øjekast, men som opfylder alle fysikkens love, er skematisk illustreret i figur 4. Den viser, hvordan kollisionen af to protoner med høj energi ser ud i forskellige referencerammer: i resten af en proton, i rammen af massecentrum, i resten rammen af en anden proton . Interaktionen mellem protoner udføres gennem en kaskade af spaltende gluoner, men kun i et tilfælde betragtes denne kaskade som "indersiden" af en proton, i et andet tilfælde betragtes den som en del af en anden proton, og i det tredje er det blot nogle objekt, der udveksles mellem to protoner. Denne kaskade eksisterer, den er reel, men hvilken del af processen den skal tilskrives afhænger af referencerammen.
3D-portræt af en proton
Alle de resultater, som vi lige har talt om, var baseret på eksperimenter udført for ganske lang tid siden - i 60-70'erne af forrige århundrede. Det ser ud til, at siden da skulle alt være blevet undersøgt, og alle spørgsmål skulle have fundet deres svar. Men nej – protonens struktur er stadig et af de mest interessante emner inden for partikelfysik. Desuden er interessen for det igen steget i de senere år, fordi fysikere har fundet ud af, hvordan man får et "tredimensionelt" portræt af en hurtigt bevægende proton, hvilket viste sig at være meget vanskeligere end et portræt af en stationær proton.
Klassiske eksperimenter med protonkollisioner fortæller kun om antallet af partoner og deres energifordeling. I sådanne eksperimenter deltager partoner som selvstændige objekter, hvilket betyder, at det er umuligt ud fra dem at finde ud af, hvordan partonerne er placeret i forhold til hinanden, eller hvordan de præcist summerer til en proton. Vi kan sige, at i lang tid kun et "endimensionelt" portræt af en hurtigt bevægende proton var tilgængeligt for fysikere.
For at konstruere et rigtigt, tredimensionelt portræt af en proton og finde ud af fordelingen af partoner i rummet, kræves der meget mere subtile eksperimenter end dem, der var mulige for 40 år siden. Fysikere lærte at udføre sådanne eksperimenter for ganske nylig, bogstaveligt talt i det sidste årti. De indså, at blandt det enorme antal forskellige reaktioner, der opstår, når en elektron kolliderer med en proton, er der en særlig reaktion - dyb virtuel Compton-spredning, - som kan fortælle os om protonens tredimensionelle struktur.
Generelt er Compton-spredning, eller Compton-effekten, den elastiske kollision af en foton med en partikel, for eksempel en proton. Det ser sådan ud: en foton ankommer, absorberes af en proton, som går ind i en exciteret tilstand i kort tid, og vender derefter tilbage til sin oprindelige tilstand og udsender en foton i en eller anden retning.
Comptonspredning af almindelige lysfotoner fører ikke til noget interessant – det er simpelthen refleksion af lys fra en proton. For at protonens indre struktur kan "komme i spil", og fordelingen af kvarker kan "føles", er det nødvendigt at bruge fotoner med meget høj energi - milliarder af gange mere end i almindeligt lys. Og netop sådanne fotoner - om end virtuelle - genereres nemt af en indfaldende elektron. Hvis vi nu kombinerer det ene med det andet, får vi dyb virtuel Compton-spredning (fig. 5).
Hovedtræk ved denne reaktion er, at den ikke ødelægger protonen. Den indfaldende foton rammer ikke bare protonen, men mærker den så at sige forsigtigt og flyver derefter væk. Retningen, hvori den flyver væk, og hvilken del af energien protonen tager fra den, afhænger af protonens struktur, af den relative placering af partonerne inde i den. Det er derfor, ved at studere denne proces, er det muligt at genoprette protonens tredimensionelle udseende, som om at "skulpturere dens skulptur."
Sandt nok er dette meget svært for en eksperimentel fysiker at gøre. Den nødvendige proces forekommer ret sjældent, og det er svært at registrere det. De første eksperimentelle data om denne reaktion blev først opnået i 2001 ved HERA-acceleratoren ved det tyske acceleratorkompleks DESY i Hamborg; en ny række data bliver nu behandlet af forsøgsledere. Men allerede i dag tegner teoretikere, baseret på de første data, tredimensionelle fordelinger af kvarker og gluoner i protonen. En fysisk størrelse, som fysikerne tidligere kun havde gjort antagelser om, begyndte endelig at "dukke op" fra eksperimentet.
Er der nogen uventede opdagelser, der venter os i dette område? Det er sandsynligt, at ja. For at illustrere det, lad os sige, at der i november 2008 dukkede en interessant teoretisk artikel op, som siger, at en proton i hurtig bevægelse ikke skal ligne en flad skive, men en bikonkav linse. Dette sker, fordi partonerne, der sidder i protonens centrale område, er komprimeret kraftigere i længderetningen end partonerne, der sidder i kanterne. Det ville være meget interessant at teste disse teoretiske forudsigelser eksperimentelt!
Hvorfor er alt dette interessant for fysikere?
Hvorfor har fysikere overhovedet brug for at vide præcis, hvordan stof er fordelt inde i protoner og neutroner?
For det første kræves dette af selve logikken i fysikkens udvikling. Der er mange utroligt komplekse systemer i verden, som moderne teoretisk fysik endnu ikke helt kan klare. Hadroner er et sådant system. Ved at forstå strukturen af hadroner finpudser vi den teoretiske fysiks evner, som meget vel kan vise sig at være universelle og måske vil hjælpe med noget helt andet, for eksempel i studiet af superledere eller andre materialer med usædvanlige egenskaber.
For det andet er der direkte fordele for kernefysikken. På trods af den næsten århundrede lange historie med at studere atomkerner, kender teoretikere stadig ikke den nøjagtige lov om interaktion mellem protoner og neutroner.
De skal dels gætte denne lov ud fra eksperimentelle data, dels konstruere den ud fra viden om nukleonernes struktur. Det er her, nye data om nukleonernes tredimensionelle struktur vil hjælpe.
For det tredje var fysikere for flere år siden i stand til at opnå ikke mindre end en ny aggregeret stoftilstand - kvark-gluonplasma. I denne tilstand sidder kvarker ikke inde i individuelle protoner og neutroner, men går frit igennem hele klumpen af nukleart stof. Dette kan for eksempel opnås sådan: tunge kerner accelereres i en accelerator til en hastighed meget tæt på lysets hastighed og støder derefter frontalt sammen. I denne kollision opstår temperaturer på billioner af grader i meget kort tid, hvilket smelter kernerne til kvark-gluon-plasma. Så det viser sig, at teoretiske beregninger af denne nukleare smeltning kræver et godt kendskab til nukleonernes tredimensionelle struktur.
Endelig er disse data meget nødvendige for astrofysik. Når tunge stjerner eksploderer i slutningen af deres liv, efterlader de ofte ekstremt kompakte objekter - neutron- og muligvis kvarkstjerner. Kernen af disse stjerner består udelukkende af neutroner og måske endda kold kvark-gluon plasma. Sådanne stjerner er længe blevet opdaget, men man kan kun gætte, hvad der sker indeni dem. Så en god forståelse af kvarkfordelinger kan føre til fremskridt inden for astrofysik.