Сите физички тела на природата се изградени од еден вид материја наречена материја. Супстанциите се поделени во две главни групи - едноставни и сложени супстанции.
Сложените супстанции се оние супстанции кои можат да се разложат на други, поедноставни супстанции преку хемиски реакции. За разлика од сложените супстанции, едноставни супстанции се оние кои не можат хемиски да се разложат на уште поедноставни супстанции.
Пример за сложена супстанција е водата, која преку хемиска реакција може да се разложи на две други, поедноставни супстанции - водород и кислород. Што се однесува до последните две, тие веќе не можат хемиски да се разложат на поедноставни материи и затоа се едноставни материи, или со други зборови, хемиски елементи.
Во првата половина на 19 век, во науката постоела претпоставка дека хемиските елементи се непроменливи материи кои немаат заедничка врска меѓу себе. Сепак, рускиот научник Д.И. Менделеев (1834 - 1907) за прв пат во 1869 година ја откри врската на хемиските елементи, покажувајќи дека квалитативните карактеристики на секој од нив зависат од неговите квантитативни карактеристики - атомска тежина.
Додека ги проучувал својствата на хемиските елементи, Д.И. Менделеев забележал дека нивните својства периодично се повторуваат во зависност од нивната атомска тежина. Тој ја прикажа оваа периодичност во форма на табела, која беше вклучена во науката под името „Периодичен систем на елементи на Менделеев“.
Подолу е модерната периодична табела на хемиски елементи на Менделеев.
Атоми
Според современите концепти на науката, секој хемиски елемент се состои од збирка на ситни материјални (материјални) честички наречени атоми.
Атомот е најмалиот дел од хемискиот елемент кој повеќе не може хемиски да се разложи на други, помали и поедноставни материјални честички.
Атомите на хемиските елементи кои се различни по природа се разликуваат едни од други по нивните физички и хемиски својства, структура, големина, маса, атомска тежина, внатрешна енергија и некои други својства. На пример, водородниот атом остро се разликува по своите својства и структура од атомот на кислород, а вториот од атомот на ураниум итн.
Утврдено е дека атомите на хемиските елементи се екстремно мали по големина. Ако конвенционално претпоставиме дека атомите имаат сферична форма, тогаш нивните дијаметри треба да бидат еднакви на сто милионити дел од сантиметарот. На пример, дијаметарот на атом на водород - најмалиот атом во природата - е еднаков на сто милионити дел од сантиметар (10 -8 см), а дијаметарот на најголемите атоми, на пример, атом на ураниум, не надминува триста милионити дел од сантиметарот (3 10 -8 см). Следствено, атом на водород е толку пати помал од топка со радиус од еден сантиметар колку што е таа помала од земјината топка.
Во согласност со многу малата големина на атомите, нивната маса е исто така многу мала. На пример, масата на атом на водород е m = 1,67 10 -24 g Тоа значи дека еден грам водород содржи приближно 6 10 23 атоми.
Конвенционалната мерна единица за атомските тежини на хемиските елементи е земена како 1/16 од тежината на атом на кислород.Во согласност со оваа атомска тежина на хемиски елемент, се нарекува апстрактен број, кој покажува колку пати од тежината даден хемиски елемент е поголем од 1/16 од тежината на атом на кислород.
Периодниот систем на елементи на Д.И. Менделеев ги прикажува атомските тежини на сите хемиски елементи (видете го бројот ставен под името на елементот). Од оваа табела гледаме дека најлесниот атом е атомот на водород, кој има атомска тежина од 1,008. Атомската тежина на јаглеродот е 12, кислородот е 16, итн.
Што се однесува до потешките хемиски елементи, нивната атомска тежина ја надминува атомската тежина на водородот за повеќе од двесте пати. Така, атомската тежина на живата е 200,6, радиумот е 226, итн. Колку е поголем редот на број окупиран од хемиски елемент во периодниот систем на елементи, толку е поголема атомската тежина.
Повеќето од атомските тежини на хемиските елементи се изразени во дробни броеви. Ова до одреден степен се објаснува со фактот дека таквите хемиски елементи се состојат од збирка на многу видови атоми кои имаат различна тежина на атомот, но исти хемиски својства.
Хемиските елементи кои заземаат ист број во периодниот систем на елементи и затоа имаат исти хемиски својства, но различна атомска тежина, се нарекуваат изотопи.
Изотопи се наоѓаат во повеќето хемиски елементи, има два изотопи, калциум - четири, цинк - пет, калај - единаесет итн. Многу изотопи се добиваат преку уметноста, некои од нив се од големо практично значење.
Елементарни честички на материјата
Долго време се веруваше дека атомите на хемиските елементи се граница на деливост на материјата, т.е. како елементарните „градежни блокови“ на универзумот. Модерната наука ја отфрли оваа хипотеза, утврдувајќи дека атомот на кој било хемиски еле е збир на дури и помали материјални честички од самиот атом.
Според електронската теорија за структурата на материјата, атом на кој било хемиски елемент е систем кој се состои од централно јадро околу кое ротираат „елементарни“ материјални честички наречени електрони. Јадрата на атомите, според општо прифатените ставови, се состојат од збирка „елементарни“ материјални честички - протони и неутрони.
За да се разбере структурата на атомите и физичките и хемиските процеси во нив, потребно е барем накратко да се запознаеме со основните карактеристики на елементарните честички што ги сочинуваат атомите.
Утврди дека електронот е материјална честичка која има најмал негативен електричен полнеж забележан во природата.
Ако конвенционално претпоставиме дека електронот како честичка има сферична форма, тогаш дијаметарот на електронот треба да биде еднаков на 4 · 10-13 cm, т.е. е десетици илјади пати помал од дијаметарот на кој било атом.
Електронот, како и секоја друга материјална честичка, има маса. „Масата на мирување“ на електронот, т.е. масата што ја има во состојба на релативно мирување, е еднаква на m o = 9,1 10 -28 g.
Екстремно малата „маса на мирување“ на електронот покажува дека инертните својства на електронот се исклучително слаби, што значи дека електронот, под влијание на променлива електрична сила, може да осцилира во вселената со фреквенција од многу милијарди циклуси на второ.
Масата на електронот е толку мала што за да се добие еден грам електрони би било потребно да се земат 1027 единици. За да имаме барем физичка идеја за овој колосално голем број, да го дадеме следниот пример. Кога еден грам електрони би можел да биде поставен во права линија блиску еден до друг, тие би формирале синџир долг четири милијарди километри.
Масата на електронот, како и секоја друга материјална микрочестичка, зависи од брзината на неговото движење.Електронот, кој е во состојба на релативен одмор, има „маса на одмор“, која е од механичка природа, како масата на секое физичко тело. Што се однесува до „масата на движење“ на електронот, која се зголемува со зголемување на брзината на неговото движење, таа е од електромагнетно потекло. Тоа се должи на присуството на електромагнетно поле во подвижниот електрон како одреден вид материја со маса и електромагнетна енергија.
Колку побрзо се движи електронот, толку повеќе се манифестираат инерцијалните својства на неговото електромагнетно поле, и, следствено, поголема е масата на второто и, соодветно, неговата електромагнетна енергија. Бидејќи електронот со своето електромагнетно поле претставува единствен, органски поврзан материјален систем, природно е масата на движење на електромагнетното поле на електронот директно да му се припише на самиот електрон.
Електронот, покрај својствата на честичката, има и брановидни својства. Искуството утврдило дека протокот на електрони, како светлосен тек, се шири во форма на брановидно движење. Природата на брановото движење на електронскиот тек во просторот се потврдува со феномените на интерференција и дифракција на електронските бранови.
Електронска интерференција- ова е феноменот на наметнување електронски волји едни на други, и електронска дифракција- ова е феноменот на свиткување на електронски бранови околу рабовите на тесен јаз низ кој поминува проток на електрони. Следствено, електронот не е само честичка, туку „бран на честички“, чија должина зависи од масата и брзината на електронот.
Утврдено е дека електронот, покрај своето транслаторно движење, врши и ротационо движење околу својата оска. Овој тип на движење на електрони се нарекува „спин“ (од англискиот збор „спин“ - вретено). Како резултат на таквото движење, електронот, покрај електричните својства поради електричниот полнеж, добива и магнетни својства, кои потсетуваат во овој поглед на елементарен магнет.
Протон е материјална честичка која има позитивен електричен полнеж еднаков во апсолутна вредност на електричното полнење на електронот.
Протонската маса е 1,67 · 10-24 g, т.е. е приближно 1840 пати поголема од „масата на одмор“ на електронот.
За разлика од електронот и протонот, неутронот нема електричен полнеж, односно е електрично неутрална „елементарна“ честичка на материјата. Масата на неутронот е речиси еднаква на масата на протонот.
Електроните, протоните и неутроните, како дел од атомите, комуницираат едни со други. Особено, електроните и протоните меѓусебно се привлекуваат еден кон друг како честички со спротивни електрични полнежи. Во исто време, електрон од електрон и протон од протон се одбиваат како честички со исти електрични полнежи.
Интеракцијата на сите овие електрично наелектризирани честички се случува преку нивните електрични полиња. Овие полиња претставуваат посебен вид материја, која се состои од збирка елементарни материјални честички наречени фотони. Секој фотон има строго дефинирана количина на енергија својствена за него (енергетски квант).
Интеракцијата на електрично наелектризираните материјални честички се врши со размена на фотони едни со други. Силата на интеракција помеѓу електрично наелектризираните честички обично се нарекува електрична сила.
Неутроните и протоните кои се наоѓаат во јадрата на атомите, исто така, комуницираат едни со други. Меѓутоа, оваа интеракција повеќе не се врши преку електрично поле, бидејќи неутронот е електрично неутрална честичка на материјата, туку преку таканареченото нуклеарно поле.
Ова поле е исто така посебен вид материја, која се состои од збирка елементарни материјални честички наречени мезони. Интеракцијата на неутроните и протоните се врши со размена на мезони едни со други. Силата помеѓу неутроните и протоните кои комуницираат едни со други се нарекува нуклеарна сила.
Утврдено е дека нуклеарните сили дејствуваат во јадрата на атомите на екстремно мали растојанија - приближно 10 - 13 см.Нуклеарните сили значително ги надминуваат по големина електричните сили на меѓусебно одбивање на протоните во јадрото на атомот. Ова води до фактот дека тие се способни не само да ги надминат силите на меѓусебно одбивање на протоните во јадрата на атомите, туку и да создадат многу силни системи на јадра од комбинација на протони и неутрони.
Стабилноста на јадрото на секој атом зависи од односот помеѓу две контрадикторни сили - нуклеарна (заемна привлечност на протони и неутрони) и електрична (взаемно одбивање на протони).
Моќните нуклеарни сили кои дејствуваат во јадрата на атомите придонесуваат за трансформација на неутроните и протоните едни во други. Овие интерконверзии на неутрони и протони се вршат како резултат на ослободување или апсорпција на полесни елементарни честички, како што се мезоните.
Честичките што ги разгледавме се нарекуваат елементарни затоа што не се состојат од збирка други, поедноставни честички на материјата. Но, во исто време, не смееме да заборавиме дека тие се способни да се трансформираат едни во други, кои произлегуваат на сметка на едни со други. Така, овие честички се некои сложени формации, односно нивната елементарност е условена.
Хемиска структура на атомите
Наједноставниот атом во неговата структура е атомот на водород. Се состои од збирка од само две елементарни честички - протон и електрон. Протонот во системот на водородниот атом ја игра улогата на централно јадро околу кое електронот ротира во одредена орбита. На сл. Слика 1 шематски прикажува модел на атомот на водород.
Ориз. 1. Шема на структурата на атомот на водород
Овој модел е само груба апроксимација на реалноста. Факт е дека електронот како „бран на честички“ нема волумен остро ограничен од надворешната средина. Тоа значи дека не треба да зборуваме за некоја точна линеарна орбита на електронот, туку за еден вид електронски облак. Во овој случај, електронот најчесто зазема некоја средна линија на облакот, што е една од неговите можни орбити во атомот.
Мора да се каже дека орбитата на самиот електрон не е строго непроменета и неподвижна во атомот - и тој, поради промените во масата на електронот, трпи одредено ротационо движење. Следствено, движењето на електронот во атомот е релативно сложено. Бидејќи јадрото на водородниот атом (протон) и електронот што ротира околу него имаат спротивни електрични полнежи, тие меѓусебно се привлекуваат.
Во исто време, електронот, вртејќи се околу јадрото на атомот, развива центрифугална сила која има тенденција да го отстрани од јадрото. Следствено, електричната сила на взаемно привлекување помеѓу јадрото на атомот и електронот и центрифугалната сила што дејствува на електронот се контрадикторни сили.
При рамнотежа, нивниот електрон зазема релативно стабилна позиција во одредена орбита во атомот. Бидејќи масата на електронот е многу мала, за да се балансира силата на привлекување кон јадрото на атомот, тој мора да ротира со огромна брзина, еднаква на приближно 6 10 15 вртежи во секунда. Тоа значи дека електронот во системот на водородниот атом, како и секој друг атом, се движи по својата орбита со линеарна брзина што надминува илјада километри во секунда.
Во нормални услови, електрон ротира во атом од ваков вид во орбитата најблиску до јадрото. Во исто време, има минимална можна количина на енергија. Ако, од една или друга причина, на пример, под влијание на некои други материјални честички кои го нападнале атомскиот систем, електронот се пресели во орбита пооддалечена од атомот, тогаш тој веќе ќе има малку поголема количина на енергија.
Меѓутоа, електронот останува во оваа нова орбита незначително кратко време, по што повторно се ротира до орбитата најблиску до атомското јадро. За време на овој потег, тој ја испушта својата вишок енергија во форма на квант на електрично магнетно зрачење - зрачна енергија (сл. 2).
Ориз. 2. Електронот, кога се движи од далечна орбита до орбита поблиску до јадрото на атомот, емитува квантум на зрачна енергија
Колку повеќе енергија добива електронот однадвор, толку е пооддалечена орбитата што се движи од јадрото на атомот и толку е поголема количината на електромагнетна енергија што ја испушта кога ротира во орбитата најблиску до јадрото.
Со мерење на количината на енергија што ја емитува електронот кога се движи од различни орбити до онаа најблиску до јадрото на атомот, беше можно да се утврди дека електрон во системот на атомот на водород, како и во системот на кој било друг атом. , не може да се движи во ниту една произволна орбита, туку во строго дефинирана во согласност со енергијата што ја прима под влијание на надворешна сила. Орбитите кои електронот може да ги заземе во атомот се нарекуваат дозволени орбити.
Бидејќи позитивниот полнеж на јадрото на водородниот атом (протонски полнеж) и негативниот полнеж на електронот се нумерички еднакви, нивниот вкупен полнеж е нула. Ова значи дека водородниот атом, кој е во својата нормална состојба, е електрично неутрална честичка.
Ова важи за атомите на сите хемиски елементи: атом на кој било хемиски елемент во нормална состојба е електрично неутрална честичка поради нумеричката еднаквост на нејзините позитивни и негативни полнежи.
Бидејќи јадрото на атом на водород содржи само една „елементарна“ честичка - протон, таканаречениот масен број на ова јадро е еднаков на еден. Масовниот број на јадрото на атомот на кој било хемиски елемент е вкупниот број на протони и неутрони вклучени во составот на ова јадро.
Природниот водород главно се состои од збирка атоми со масен број еднаков на еден. Меѓутоа, содржи и друг вид атоми на водород, со масен број еднаков на два. Јадрата на атомите на овој тежок водород, наречен деутрони, се состојат од две честички - протон и неутрон. Овој изотоп на водород се нарекува деутериум.
Природниот водород содржи многу мали количини деутериум. На секои шест илјади атоми лесен водород (масен број еднаков на еден), има само еден атом деутериум (тежок водород). Постои уште еден изотоп на водород - супертежок водород, наречен тритиум. Во јадрата на атомот на овој водороден изотоп има три честички: протон и два неутрони, поврзани едни со други со нуклеарни сили. Масовниот број на јадрото на атом на тритиум е три, т.е. атом на тритиум е три пати потежок од лесен атом на водород.
Иако атомите на водородните изотопи имаат различни маси, тие сепак ги имаат истите хемиски својства.На пример, светлиот водород, влегувајќи во хемиска интеракција со кислородот, формира сложена супстанција со него - вода. Слично на тоа, изотопот на водородот, деутериум, се комбинира со кислород и формира вода, која, за разлика од обичната вода, се нарекува тешка вода. Тешката вода е широко користена во процесот на производство на нуклеарна (нуклеарна) енергија.
Следствено, хемиските својства на атомите не зависат од масата на нивните јадра, туку само од структурата на електронската обвивка на атомот. Бидејќи лесните атоми на водород, деутериум и тритиум имаат ист број на електрони (по еден за секој атом), овие изотопи ги имаат истите хемиски својства.
Не е случајно што хемискиот елемент водород го зазема првиот број во периодниот систем на елементи. Факт е дека постои одредена врска помеѓу бројот на кој било елемент во периодниот систем на елементи и вредноста на полнењето на јадрото на атомот на овој елемент. Може да се формулира вака: серискиот број на кој било хемиски елемент во периодниот систем на елементи е нумерички еднаков на позитивниот полнеж на јадрото на овој елемент и, следствено, на бројот на електрони што ротираат околу него.
Бидејќи водородот го зазема првиот број во периодниот систем на елементи, тоа значи дека позитивниот полнеж на јадрото на неговиот атом е еднаков на еден и дека еден електрон ротира околу јадрото.
Хемискиот елемент хелиум го зазема второто место во периодниот систем на елементи. Ова значи дека има позитивен електричен полнеж на јадрото еднаков на две единици, т.е. неговото јадро мора да содржи два протони, а електронската обвивка на атомот мора да содржи две електроди.
Природниот хелиум се состои од два изотопа - тежок и лесен хелиум. Масовниот број на тешкиот хелиум е четири. Тоа значи дека јадрото на тежок атом на хелиум, покрај горенаведените два протони, мора да содржи уште два неутрони. Што се однесува до лесен хелиум, неговиот масен број е три, односно неговото јадро, покрај два протони, мора да содржи уште еден неутрон.
Утврдено е дека во природниот хелиум бројот на лесни атоми на хелиум е приближно еден милионити дел од тешките атоми на хелиум. На сл. Слика 3 покажува шематски модел на атомот на хелиум.
Ориз. 3. Шема на структурата на атомот на хелиум
Понатамошната сложеност на структурата на атомите на хемиските елементи се јавува поради зголемувањето на бројот на протони и неутрони во јадрата на овие атоми и во исто време поради зголемувањето на бројот на електрони кои ротираат околу јадрата (сл. 4 ). Користејќи го периодниот систем на елементи, лесно е да се одреди бројот на електрони, протони и неутрони кои сочинуваат различни атоми.
Ориз. 4. Шеми на структурата на атомските јадра: 1 - хелиум, 2 - јаглерод, 3 - кислород
Атомскиот број на хемискиот елемент е еднаков на бројот на протони лоцирани во јадрото на атомот, а во исто време и бројот на електрони кои ротираат околу јадрото. Што се однесува до атомската тежина, таа е приближно еднаква на масениот број на атомот, т.е. бројот на протони и неутрони комбинирани во јадрото. Затоа, со одземање од атомската тежина на елементот број еднаков на атомскиот број на елементот, може да се одреди колку неутрони се содржани во даденото јадро.
Утврдено е дека јадрата на лесни хемиски елементи, кои содржат еднакви делови на протони и неутрони, се одликуваат со многу висока јачина, бидејќи нуклеарните сили во нив се релативно големи. На пример, јадрото на тежок атом на хелиум е исклучително силно затоа што е составено од два протони и два неутрони поврзани заедно со моќни нуклеарни сили.
Јадрата на атомите на потешките хемиски елементи содржат нееднаков број на протони и неутрони, така што нивната врска во јадрото е послаба отколку во јадрата на лесните хемиски елементи. Јадрата на овие елементи може релативно лесно да се поделат кога се бомбардирани со атомски „проектили“ (неутрони, јадра на хелиум, итн.).
Што се однесува до најтешките хемиски елементи, особено радиоактивните, нивните јадра се толку слаби што спонтано се распаѓаат во нивните составни делови. На пример, атомите на радиоактивниот елемент радиум, кој се состои од комбинација од 88 протони и 138 неутрони, спонтано се распаѓаат, претворајќи се во атоми на радиоактивниот елемент радон. Атомите на вториот, пак, се распаѓаат во нивните составни делови, претворајќи се во атоми на други елементи.
Откако накратко се запознавме со компонентите на јадрата на атомите на хемиските елементи, да ја разгледаме структурата на електронските обвивки на атомите. Како што е познато, електроните можат да ротираат околу атомските јадра само во строго дефинирани орбити. Покрај тоа, тие се толку групирани во електронската обвивка на секој атом што може да се разликуваат поединечни слоеви на електрони.
Секој слој може да содржи бројни електрони што не надминува строго дефиниран број. Така, на пример, во првиот електронски слој најблиску до јадрото на атомот може да има максимум два електрони, во вториот - не повеќе од осум електрони, итн.
Оние атоми чиишто надворешни електронски слоеви се целосно исполнети имаат најстабилна електронска обвивка. Тоа значи дека овој атом цврсто ги држи сите свои електрони и нема потреба да прима дополнителна количина однадвор. На пример, атом на хелиум има два електрони кои целосно го исполнуваат првиот електронски слој, а неонскиот атом има десет електрони, од кои првите два целосно го исполнуваат првиот електронски слој, а остатокот - вториот (сл. 5).
Ориз. 5. Шема на структурата на неонскиот атом
Следствено, атомите на хелиум и неон имаат целосно стабилни електронски обвивки и не се стремат некако да ги менуваат квантитативно. Таквите елементи се хемиски инертни, односно не комуницираат хемиски со други елементи.
Сепак, повеќето хемиски елементи имаат атоми во кои надворешните електронски слоеви не се целосно исполнети со електрони. На пример, атом на калиум има деветнаесет електрони, од кои осумнаесет целосно ги исполнуваат првите три слоја, а деветнаесеттиот електрон е сам во следниот, неисполнет електронски слој. Слабото полнење на четвртиот електронски слој со електрони води до фактот дека јадрото на атомот многу слабо го држи најоддалечениот електрон, деветнаесеттиот електрон, и затоа вториот може лесно да се откине од атомот. .
Или, на пример, атом на кислород има осум електрони, од кои два целосно го исполнуваат првиот слој, а останатите шест се наоѓаат во вториот слој. Така, за целосно да се заврши изградбата на вториот електронски слој во атомот на кислород, потребни му се само два електрони. Затоа, атомот на кислород не само што цврсто ги држи своите шест електрони во вториот слој, туку има и способност да ги привлече двата електрони што му недостасуваат за да го пополни вториот електронски слој. Тој го постигнува ова со хемиско комбинирање со атоми на елементи чии надворешни електрони се слабо врзани за нивните јадра.
Хемиските елементи чии атоми немаат надворешни електронски слоеви целосно исполнети со електрони, по правило, се хемиски активни, односно лесно влегуваат во хемиски интеракции.
Значи, електроните во атомите на хемиските елементи се распоредени по строго дефиниран редослед, а секоја промена во нивниот просторен распоред или количина во електронската обвивка на атомот доведува до промена на физичко-хемиските својства на вториот.
Еднаквоста на бројот на електрони и протони во атомскиот систем е причина што неговиот вкупен електричен полнеж е нула. Ако се наруши еднаквоста на бројот на електрони и протони во атомскиот систем, тогаш атомот станува електрично наполнет систем.
Атомот во чиј систем рамнотежата на спротивните електрични полнежи е нарушена поради фактот што изгубил дел од своите електрони или, обратно, стекнал вишок од нив, се нарекува јон.
Напротив, ако атомот добие дополнителни електрони, тој станува негативен јон. На пример, атом на хлор кој добил еден дополнителен електрон се претвора во единечно наелектризиран негативен јон на хлор Cl -. Атомот на кислород кој добил дополнителни два електрони се претвора во двојно наелектризиран негативен кислороден јон O итн.
Атомот кој се претворил во јон станува електрично наполнет систем во однос на надворешната средина. Тоа значи дека атомот почнал да има електрично поле, заедно со кое сочинува единствен материјален систем и преку ова поле врши електрична интеракција со други електрично наелектризирани честички на материјата - јони, електрони, позитивно наелектризирани атомски јадра итн.
Способноста на различните јони заемно да се привлекуваат еден кон друг е причината што тие хемиски се комбинираат, формирајќи посложени честички на материјата - молекули.
Како заклучок, треба да се забележи дека димензиите на атомот се многу големи во споредба со димензиите на материјалните честички од кои се составени. Јадрото на најкомплексниот атом, заедно со сите електрони, зафаќа милијардити дел од волуменот на атомот. Едноставна пресметка покажува дека ако еден кубен метар платина би можел да се компресира толку цврсто што интраатомскиот и меѓуатомскиот простор исчезнат, тогаш волуменот би бил еднаков на приближно еден кубен милиметар.
Пред сè, неопходно е да се разбере дека постојат четири одделни видови на ослободена енергија:
1) хемиска енергија што ги напојува нашите автомобили, како и повеќето уреди на модерната цивилизација;
2) енергија на нуклеарна фисија, која се користи за производство на околу 15% од електричната енергија што ја трошиме;
3) енергијата на жешката нуклеарна фузија, која го напојува сонцето и повеќето ѕвезди;
4) ладна енергија на нуклеарна фузија, која е забележана од некои експериментатори во лабораториски студии и чие постоење е отфрлено од повеќето научници.
Количината на ослободена нуклеарна енергија (топлина/lb гориво) од сите три типа е 10 милиони пати поголема од онаа на хемиската енергија. Како се разликуваат овие видови енергија? За да се разбере ова прашање, потребно е одредено познавање од хемијата и физиката.
Со искористување на понудите на оваа онлајн продавница која продава покуќнина, можете лесно да купите која било стока по разумни цени.
Природата ни дала два вида стабилно наелектризирани честички: протони и електрони. Протонот е тешка, обично многу мала, позитивно наелектризирана честичка. Електронот е обично лесен, голем, со нејасни граници и има негативен полнеж. Позитивните и негативните полнежи се привлекуваат едни со други, исто како што северниот пол на магнетот го привлекува јужниот пол. Ако магнет со неговиот северен пол се приближи до јужниот пол на друг магнет, тие ќе се судрат. Судирот ќе ослободи мала количина на енергија во форма на топлина, но таа е премногу мала за лесно да се измери. За да ги одвоите магнетите, ќе треба да работите, односно да трошите енергија. Тоа е приближно исто како да подигнете камен назад на рид.
Тркалањето камен по рид произведува мала количина на топлина, но подигањето на каменот бара енергија.
На ист начин, позитивниот полнеж на протонот се судира со негативниот полнеж на електронот, тие „се лепат заедно“, ослободувајќи енергија. Резултатот е атом на водород, означен H. Атомот на водород не е ништо повеќе од нејасен електрон кој обвива мал протон. Ако исфрлите електрон од атом на водород, ќе добиете позитивно наелектризиран H+ јон, што не е ништо повеќе од оригиналниот протон. „Јон“ е името што се применува на атом или молекула што изгубил или добил еден или повеќе електрони и затоа повеќе не е неутрален.
Како што знаете, во природата има повеќе од еден вид атоми. Имаме атоми на кислород, азотни атоми, атоми на железо, атоми на хелиум и други. Како сите тие се различни? Сите тие имаат различни типови на јадра, а сите јадра содржат различен број на протони, што значи дека имаат различни позитивни полнежи. Јадрото на хелиумот содржи 2 протони, што значи дека има полнеж плус 2, а за да се неутрализира полнежот потребни се 2 електрони. Кога 2 електрони се „лепат“ на него, се формира атом на хелиум. Јадрото на кислородот содржи 8 протони и има полнење од 8. Кога за него „се залепат“ 8 електрони, се формира атом на кислород. Атомот на азот има 7 електрони, а атом на железо има околу 26. Сепак, структурата на сите атоми е приближно иста: мало, позитивно наелектризирано јадро сместено во облак од дифузни електрони. Разликата во големината помеѓу јадрото и електроните е огромна.
Дијаметарот на Сонцето е само 100 пати поголем од дијаметарот на Земјата. Дијаметарот на електронскиот облак во атомот е 100.000 пати поголем од дијаметарот на јадрото. За да ја добиете разликата во волумените, треба да ги коцкате овие бројки.
Сега сме подготвени да разбереме што е хемиска енергија. Атомите, бидејќи се електрично неутрални, всушност можат да се поврзат заедно, ослободувајќи повеќе енергија. Со други зборови, тие можат да се поврзат во постабилни конфигурации. Електроните веќе во атомот се обидуваат да се распределат на таков начин што да се доближат што е можно поблиску до јадрото, но поради нивната дифузна природа бараат одреден простор. Меѓутоа, кога се комбинираат со електрони од друг атом, тие обично формираат поблиска конфигурација, овозможувајќи им да се приближат до јадрата. На пример, 2 атоми на водород може да се комбинираат во покомпактна конфигурација ако секој водороден атом го отстапи својот електрон на облак од 2 електрони, кој се дели помеѓу два протони.
Така, тие формираат група составена од два електрони во еден облак и два протони, одделени еден од друг со простор, но сепак лоцирани во облакот од електрони. Како резултат на тоа, се јавува хемиска реакција која се јавува со ослободување на топлина: H + H => H G (Знакот „=>“ значи „претвора во“ или „станува“). H2 конфигурацијата е молекула на водород; кога купувате цилиндар со водород, не добивате ништо повеќе од молекули H. Покрај тоа, со комбинирање, два електрони H 2 и 8 електрони од атом O може да формираат уште покомпактна конфигурација - молекула на вода H O плус топлина. Во реалноста, молекулата на водата е единечен облак од електрони, внатре во кој има три точки јадра. Таквата молекула е минималната енергетска конфигурација.
Така, кога согоруваме нафта или јаглен, ги прераспределуваме електроните. Ова доведува до формирање на постабилни конфигурации на точкести јадра во електронските облаци и е придружено со ослободување на топлина. Ова е природата на хемиската енергија.
Во претходната дискусија пропуштивме една точка. Зошто јадрата во природата првично содржат два или повеќе протони? Секој протон има позитивен полнеж, и кога растојанието помеѓу позитивните полнежи е толку мало што може да се спореди со просторот што го опкружува јадрото, тие силно се одбиваат еден со друг. Одбивањето на слични полнежи е слично на одбивањето што се случува помеѓу северните полови на два магнети кога се обидуваат да се поврзат неправилно. Мора да има нешто што ја надминува оваа одбивност, инаку би постоеле само атоми на водород. За среќа, гледаме дека тоа не е така.
Постои уште еден вид на сила што делува на протонот. Ова е нуклеарна енергија. Поради фактот што е многу голем, честичките цврсто се држат речиси една врз друга. Покрај тоа, постои и втор тип на тешка честичка, која се разликува од протонот само по тоа што нема ниту позитивен ниту негативен полнеж. Тие не се одбиваат од позитивниот полнеж на протонот. Овие честички се нарекуваат „неутрони“ бидејќи се електрично неутрални. Особеноста е што непроменетата состојба на честичките е можна само внатре во јадрото. Откако честичката е надвор од јадрото, за околу 10 минути се претвора во протон, електрон и многу лесен антинеутрино. Сепак, внатре во јадрото може да остане непроменето онолку долго колку што сакате. Како и да е, неутронот и протонот многу силно се привлекуваат еден кон друг. Приближувајќи се до доволно растојание, тие се комбинираат, формирајќи многу силен пар, таканаречениот деутрон, кој е означен D+. Еден деутерн се комбинира со еден електрон за да формира атом на тежок водород, или деутериум, означен како D.
Втората нуклеарна реакција се јавува кога два деутрони комуницираат. Кога два деутони се принудени да комуницираат, тие се комбинираат за да формираат честичка која има двојно полнење. Група од два протони и два неутрони е уште постабилна од протон-неутронската група во деутрон. Новата честичка, неутрализирана од 2 електрони, станува јадро на атом на хелиум, кој е означен He. Во природата, исто така, постојат големи групи кои се јадра на јаглерод, азот, кислород, железо и други атоми. Постоењето на сите овие групи е можно поради нуклеарната сила што се јавува помеѓу честичките кога тие меѓусебно комуницираат или делат вкупен волумен на простор еднаков на големината на јадрото.
Сега можеме да ја разбереме природата на обичната нуклеарна енергија, која всушност е енергија на нуклеарна фисија. Во текот на раната историја на универзумот, се формирале масивни ѕвезди. Кога експлодираа такви масивни ѕвезди, се формираа многу видови јадра кои повторно експлодираа во вселената. Планетите и ѕвездите, вклучувајќи го и Сонцето, се формирани од оваа маса.
Можно е за време на експлозијата да се појавиле сите можни стабилни конфигурации на протони и неутрони, како и такви практично стабилни групи како што е јадрото на ураниумот. Всушност, постојат три варијанти на јадра на атоми на ураниум: ураниум-234, ураниум-235 и ураниум-238. Овие „изотопи“ се разликуваат по бројот на неутрони, но сите тие содржат 92 протони. Јадрата на кој било тип на атом на ураниум може да се променат во конфигурации со пониска енергија со бегство од јадрата на хелиум, меѓутоа, овој процес се случува толку ретко што копнениот ураниум ги задржува своите својства околу 4 милијарди години.
Сепак, постои уште еден начин да се наруши конфигурацијата на јадрото на ураниумот. Општо земено, групите на протони и неутрони се најстабилни ако содржат околу 60 парови протон-неутрони. Бројот на такви парови содржани во јадрото на ураниум е три пати поголем од оваа бројка. Како резултат на тоа, има тенденција да се подели на два дела, ослободувајќи голема количина на топлина. Сепак, природата не дозволува да се раздели. За да го направите ова, прво треба да се префрли на повисока енергетска конфигурација. Меѓутоа, еден вид ураниум - ураниум-235, означен 235 U - ја добива потребната енергија со фаќање на неутрон. Откако ја добил потребната енергија, јадрото се распаѓа, ослободувајќи огромна количина енергија и ослободувајќи дополнителни неутрони. Овие дополнителни неутрони за возврат можат да ги поделат јадрата на ураниум-235, што ќе доведе до верижна реакција.
Токму тоа се случува во нуклеарните централи, каде што топлината од нуклеарното распаѓање се користи за вриење на водата, создавање пареа и вклучување на електричен генератор. (Недостаток на овој метод е ослободувањето на радиоактивен отпад, кој мора безбедно да се отстрани.)
Сега сме подготвени да ја разбереме суштината на топлата нуклеарна фузија. Како што беше дискутирано во Лекција 5, групирањата на протони и неутрони се најстабилни кога бројот на протони и неутрони приближно се совпаѓа со бројот во јадрото на атомот на железото. Исто како ураниумот, кој вообичаено содржи премногу парови неутрони-протон, лесните елементи како водород, хелиум, јаглерод, азот и кислород содржат премалку такви парови.
Доколку се создадат неопходни услови за меѓусебно дејствување на овие јадра, тие ќе се обединат во постабилни групи со ослободување на топлина. Така се случува процесот на синтеза. Природно се јавува кај ѕвезди како што е Сонцето. Во природата, компримираниот водород станува многу жежок, а по некое време се јавува реакција на синтеза. Ако процесот првично се случил со деутрони, кои веќе содржат двојно протони и неутрони, реакциите во ѕвездите би се одвивале релативно лесно. Брзината со која секој конкретен тип на атом се движи во облак од слични атоми директно зависи од температурата. Колку е поголема температурата, толку е поголема брзината, а атомите се поблиску еден до друг, правејќи моментален судир.
Кај ѕвездите, температурата е доволно висока за електроните да избегаат од јадрото. Така, можеме да кажеме дека во реалноста имаме работа со мешан облак од електрони и јадра. При многу високи температури, јадрата во моментот на судир се толку блиску едно до друго што се активира нуклеарната сила, привлекувајќи ги едно кон друго. Како резултат на тоа, јадрата може да се „залепат“ и да се претворат во група со пониска енергија на протони и неутрони, ослободувајќи топлина. Топла нуклеарна фузија е обид да се спроведе овој процес во лабораториски услови користејќи деутериум и троен водород (чие јадро содржи 1 протон и 2 неутрони) како гас. Топлата фузија бара одржување на температурите на гасот од стотици милиони степени, што може да се постигне со помош на магнетно поле, но само за 1-2 секунди. Се надеваме дека ќе може да се задржи температурата на гасот подолг временски период. Сè додека температурата е доволно висока, се јавува нуклеарна реакција кога јадрата се судираат.
Главната форма во која се ослободува енергија е ослободувањето на високоенергетски неутрони и протони. Протоните многу брзо се претвораат во топлина. Неутронската енергија исто така може да се претвори во топлина, но после тоа опремата станува радиоактивна. Деконтаминацијата на опремата се чини дека е многу тешко, така што топлата фузија не е погодна како метод за комерцијално производство на енергија. Во секој случај, топлата фузија енергија е сон што постои најмалку 50 години. Сепак, повеќето научници сметаат дека топлата фузија е единствениот начин за производство на енергија на фузија. Процесот на топла фузија произведува помалку зрачење од фисијата, тој е еколошки и практично неограничен извор на гориво на Земјата (во однос на модерната потрошувачка на енергија, тоа би било доволно за многу милиони години).
Конечно, доаѓаме до објаснувањето на ладната фузија. Студената фузија би можела да биде едноставен и нерадиоактивен начин за ослободување на енергијата на фузија. За време на студената фузија, протоните и неутроните на едно јадро комуницираат со протоните и неутроните на другото на сосема поинаков начин.
Во исто време, нуклеарната сила им помага да формираат постабилна конфигурација. За секоја нуклеарна реакција неопходно е јадрата што реагираат да имаат заеднички волумен на простор. Ова барање се нарекува порамнување на честичките. При жешка фузија, комбинацијата на честички се случува за кратко време, кога одбивната сила на два позитивни полнежи е надмината, а јадрата се судираат. За време на ладна фузија, состојбата на фузија на честички се постигнува со принудување на јадрата на деутериум да се однесуваат како нејасни честички, како електрони, наместо како честички со ситни точки. Кога лесен или тежок водород се додава на тежок метал, секој водороден „атом“ зазема позиција каде што е опкружен од сите страни со атоми на тешки метали.
Оваа форма на водород се нарекува средно. Електроните на атомите на водородот, заедно со меѓуводородот, стануваат дел од масата на електроните во металот. Секое јадро на водород осцилира како нишало додека минува низ металниот негативно наелектризиран облак од електрони. Таквата вибрација се јавува дури и при многу ниски температури, во согласност со постулатите на квантната механика. Овој вид на движење се нарекува движење на нулта точка. Во овој случај, јадрата стануваат матни објекти, како електрони во атомот. Сепак, таквата нејасност не е доволна за да дозволи едно водородно јадро да комуницира со друго.
Неопходен е друг услов две или повеќе водородни јадра да имаат ист заеднички простор. Електричната струја што ја носат електроните во металот се однесува како бран на вибрирачка материја наместо како точкасти честички. Доколку електроните не се однесуваат како бранови во цврсти материи, денес не би постоеле ниту транзистори ниту модерни компјутери. Електронот во форма на бран се нарекува електрон со Блохова функција. Тајната на ладното спојување е потребата да се добие деутрон од функцијата Блох. За да можат два или повеќе деутрони да имаат заеднички волумен на простор, брановите деутони мора да се произведуваат внатре или на површината на цврстото тело. Штом се создадат деутроните со Блоховата функција, нуклеарната сила почнува да дејствува, а протоните и неутроните што го сочинуваат деутронот се реорганизираат во постабилна конфигурација на хелиум со Блохова функција, која е придружена со ослободување на топлина.
За да ја проучува ладната фузија, експериментаторот треба да ги принуди деутроните во бранова состојба и да ги одржува во оваа состојба. Експериментите со ладна фузија кои демонстрираат ослободување на вишок топлина докажуваат дека тоа е можно. Сепак, никој сè уште не знае како да спроведе таков процес на најсигурен начин. Користењето на ладна фузија ветува дека ќе обезбеди енергетски ресурс кој ќе трае милиони години, без проблеми со глобалното затоплување или радиоактивност - поради што треба да се направат сериозни напори за проучување на овој феномен.
- Превод
Во центарот на секој атом е јадрото, мала збирка на честички наречени протони и неутрони. Во оваа статија ќе ја проучуваме природата на протоните и неутроните, кои се состојат од уште помали честички - кваркови, глуони и антикваркови. (Глуоните, како фотоните, се нивни античестички.) Кварковите и глуоните, колку што знаеме, можат да бидат навистина елементарни (неделиви и да не се состојат од ништо помало по големина). Но, за нив подоцна.
Изненадувачки, протоните и неутроните имаат речиси иста маса - точно до одреден процент:
- 0,93827 GeV/c 2 за протонот,
- 0,93957 GeV/c 2 за неутрон.
Бидејќи тие се многу слични, и бидејќи овие честички сочинуваат јадра, протоните и неутроните често се нарекуваат нуклеони.
Протоните биле идентификувани и опишани околу 1920 година (иако биле откриени порано; јадрото на атомот на водород е само еден протон), а неутроните биле откриени околу 1933 година. Скоро веднаш се сфати дека протоните и неутроните се толку слични едни на други. Но, фактот дека тие имаат мерлива големина споредлива со големината на јадрото (околу 100.000 пати помала во радиус од атом) не беше познат до 1954 година. Дека тие се состојат од кваркови, антикваркови и глуони беше постепено разбрано од средината на 1960-тите до средината на 1970-тите. До крајот на 70-тите и раните 80-ти, нашето разбирање за протоните, неутроните и од што тие се направени во голема мера се смири и оттогаш остана непроменето.
Нуклеоните се многу потешко да се опишат од атомите или јадрата. Да не се каже дека атомите во принцип се едноставни, но барем може да се каже без размислување дека атом на хелиум се состои од два електрони во орбитата околу ситно јадро на хелиум; а јадрото на хелиумот е прилично едноставна група од два неутрони и два протони. Но, со нуклеоните сè не е толку едноставно. Веќе напишав во написот „Што е протон и што има внатре?“ дека атомот е како елегантен минует, а нуклеонот е како дива забава.
Комплексноста на протонот и неутронот се чини дека е вистинска и не произлегува од нецелосно познавање на физиката. Имаме равенки кои се користат за опишување на кваркови, антикваркови и глуони, како и силните нуклеарни интеракции што се случуваат меѓу нив. Овие равенки се нарекуваат QCD, од квантната хромодинамика. Точноста на равенките може да се тестира на различни начини, вклучително и мерење на бројот на честички произведени во Големиот хадронски судирач. Со приклучување на QCD равенките во компјутер и извршување на пресметки за својствата на протоните и неутроните и другите слични честички (колективно наречени „хадрони“), добиваме предвидувања за својствата на овие честички кои приближно се приближуваат на набљудувањата направени во реалниот свет. Затоа, имаме причина да веруваме дека QCD равенките не лажат и дека нашето знаење за протонот и неутронот се заснова на точните равенки. Но, само да се имаат вистинските равенки не е доволно, бидејќи:
- Едноставните равенки можат да имаат многу сложени решенија,
- Понекогаш е невозможно да се опишат сложените одлуки на едноставен начин.
Поради вродената сложеност на нуклеоните, вие, читателот, ќе треба да направите избор: колку сакате да знаете за сложеноста опишана? Колку и да одите далеку, најверојатно нема да ви донесе задоволство: колку повеќе учите, темата ќе стане појасна, но конечниот одговор ќе остане ист - протонот и неутронот се многу сложени. Можам да ви понудам три нивоа на разбирање, со зголемени детали; можете да застанете после кое било ниво и да преминете на други теми, или можете да се нурнете до последното. Секое ниво покренува прашања на кои можам делумно да одговорам во следното, но новите одговори покренуваат нови прашања. На крајот - како што правам во професионалните дискусии со колегите и напредните студенти - можам да ве упатам само на податоци добиени во реални експерименти, на различни влијателни теоретски аргументи и компјутерски симулации.
Прво ниво на разбирање
Од што се направени протоните и неутроните?Ориз. 1: премногу поедноставена верзија на протони, составена од само два кваркови нагоре и еден долен кварк, и неутрони, составени од само два долни кваркови и еден долен кварк
За да се поедностават работите, многу книги, статии и веб-страници укажуваат дека протоните се состојат од три кваркови (два кваркови нагоре и еден долен кварк) и цртаат нешто како Сл. 1. Неутронот е ист, само се состои од еден кваркови нагоре и два надолу. Оваа едноставна слика го илустрира она што некои научници веруваа, главно во 1960-тите. Но, набрзо стана јасно дека оваа гледна точка е премногу поедноставена до тој степен што повеќе не е точна.
Од пософистицирани извори на информации, ќе дознаете дека протоните се составени од три кваркови (два нагоре и еден надолу) кои се држат заедно со глуони - и може да се појави слика слична на слика 1. 2, каде што глуоните се нацртани како пружини или жици кои држат кваркови. Неутроните се исти, само со еден нагоре и два надолу кваркови.
Ориз. 2: подобрување сл. 1 поради акцентот на важната улога на силната нуклеарна сила, која држи кваркови во протонот
Ова не е толку лош начин да се опишат нуклеоните, бидејќи ја нагласува важната улога на силната нуклеарна сила, која држи кваркови во протонот на сметка на глуоните (исто како што фотонот, честичката што ја сочинува светлината, е поврзан со електромагнетната сила). Но, ова е исто така збунувачки бидејќи навистина не објаснува што се глуоните или што прават тие.
Има причини да продолжиме и да ги опишувам работите како што ги правев: протонот се состои од три кваркови (два горе и еден надолу), куп глуони и планина од парови кварк-антикварк (најчесто кваркови нагоре и надолу, но има и неколку чудни) . Сите тие летаат напред-назад со многу големи брзини (приближувајќи се до брзината на светлината); целата оваа гарнитура ја држи силната нуклеарна сила. Ова го покажав на сл. 3. Неутроните се повторно исти, но со еден нагоре и два надолу кваркови; Кваркот што го промени својот идентитет е означен со стрелка.
Ориз. 3: пореално, иако сè уште несовршено претставување на протони и неутрони
Овие кваркови, анти-кваркови и глуони не само што диво брзаат напред-назад, туку и се судираат еден со друг и се претвораат еден во друг преку процеси како што е уништувањето на честичките (во кои кварк и антикварк од ист тип се претвораат во два глуони, или обратно) или апсорпција и емисија на глуон (во кој кварк и глуон можат да се судрат и да произведат кварк и два глуони, или обратно).
Што имаат заедничко овие три описи:
- Два нагоре кварка и еден долен кварк (плус нешто друго) за протон.
- Неутронот има еден до кварк и два надолу кваркови (плус нешто друго).
- „Нешто друго“ на неутроните се совпаѓа со „нешто друго“ на протоните. Односно, нуклеоните го имаат истото „нешто друго“.
- Малата разлика во масата помеѓу протонот и неутронот се појавува поради разликата во масите на долниот и горниот кварк.
- за врвните кваркови електричниот полнеж е еднаков на 2/3 e (каде e е полнеж на протон, -e е полнеж на електрон),
- долните кваркови имаат полнење од -1/3e,
- Глуоните имаат полнење од 0,
- кој било кварк и неговиот соодветен антикварк имаат вкупен полнеж од 0 (на пример, кварк против даун има полнеж +1/3e, така што кваркот надолу и кваркот надолу ќе имаат полнење од –1/3 e +1/3 e = 0),
- вкупниот електричен полнеж на протонот е 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- вкупниот електричен полнеж на неутронот е 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- колку „нешто друго“ има внатре во нуклеонот,
- што прави таму
- Од каде потекнуваат масата и масовната енергија (E = mc 2, енергијата присутна таму дури и кога честичката е во мирување) на нуклеонот.
Ориз. 1 вели дека кварковите се во суштина третина од нуклеонот - слично како што протонот или неутронот е четвртина од јадрото на хелиум или 1/12 од јаглеродното јадро. Ако оваа слика беше вистинита, кварковите во нуклеонот би се движеле релативно бавно (со брзини многу побавни од светлината) со релативно слаби интеракции кои дејствуваат меѓу нив (иако со некоја моќна сила што ги држи на место). Масата на кваркот, нагоре и надолу, тогаш би била од редот од 0,3 GeV/c 2, околу една третина од масата на протонот. Но, оваа едноставна слика и идеите што ги наметнува се едноставно погрешни.
Ориз. 3. дава сосема поинаква идеја за протонот, како котел со честички што се вртат наоколу во него со брзина блиска до светлината. Овие честички се судираат една со друга, и при овие судири, некои од нив се уништуваат, а други се создаваат на нивно место. Глуоните немаат маса, масите на горните кваркови се од редот на 0,004 GeV/c2, а масите на долните кваркови се од редот на 0,008 GeV/c 2 - стотици пати помали од еден протон. Од каде доаѓа енергијата на протонската маса е сложено прашање: дел од неа доаѓа од енергијата на масата на кваркови и антикваркови, дел од енергијата на движењето на кварковите, антикварковите и глуоните, а дел (можно е позитивно, можеби негативно ) од енергијата складирана во силната нуклеарна интеракција, држејќи ги заедно кварковите, антикварковите и глуоните.
Во извесна смисла, Сл. 2 обиди да се реши разликата помеѓу Сл. 1 и сл. 3. Ја поедноставува фигурата. 3, отстранување на многу парови кварк-антикварк, кои, во принцип, може да се наречат ефемерни, бидејќи тие постојано се појавуваат и исчезнуваат, а не се неопходни. Но, се добива впечаток дека глуоните во нуклеоните се директен дел од силната нуклеарна сила што ги држи протоните заедно. И тоа не објаснува од каде доаѓа масата на протонот.
На сл. 1 има уште еден недостаток, покрај тесните рамки на протонот и неутронот. Не објаснува некои својства на други хадрони, на пример, пион и ро мезон. Истите проблеми ги има сл. 2.
Овие ограничувања доведоа до фактот дека на моите студенти и на мојата веб-страница им ја давам сликата од Сл. 3. Но, сакам да ве предупредам дека има и многу ограничувања, за кои ќе разговарам подоцна.
Вреди да се напомене дека екстремната сложеност на структурата имплицирана од Сл. 3 би се очекувало од објект кој се држи заедно со сила толку моќна како силната нуклеарна сила. И уште нешто: три кваркови (два нагоре и еден надолу за протон) кои не се дел од групата парови кварк-антикварк често се нарекуваат „валентни кваркови“, а паровите кварк-антикварк се нарекуваат „море од кваркови парови“. Таквиот јазик е технички погоден во многу случаи. Но, тоа дава лажен впечаток дека ако можете да погледнете внатре во протон и да погледнете одреден кварк, веднаш можете да откриете дали е дел од морето или валентен. Ова не може да се направи, едноставно не постои таков начин.
Протонска маса и неутронска маса
Бидејќи масите на протонот и неутронот се толку слични, и бидејќи протонот и неутронот се разликуваат само во замената на кваркот нагоре со долниот кварк, се чини веројатно дека нивните маси се обезбедени на ист начин, потекнуваат од истиот извор , а нивната разлика лежи во малата разлика помеѓу кварковите нагоре и надолу . Но, трите бројки погоре укажуваат на присуство на три многу различни гледишта за потеклото на масата на протоните.Ориз. 1 вели дека кварковите нагоре и надолу едноставно сочинуваат 1/3 од масата на протонот и неутронот: од редот од 0,313 GeV/c 2, или поради енергијата потребна за задржување на кварковите во протонот. И бидејќи разликата помеѓу масите на протонот и неутронот е дел од процентот, разликата помеѓу масите на кваркот нагоре и надолу мора исто така да биде дел од процентот.
Ориз. 2 е помалку јасен. Колку од масата на протонот се должи на глуоните? Но, во принцип, од сликата произлегува дека најголемиот дел од масата на протонот сепак доаѓа од масата на кваркови, како на сл. 1.
Ориз. 3 одразува понијансиран пристап кон тоа како всушност доаѓа до масата на протонот (како што можеме да тестираме директно преку компјутерски пресметки на протонот, и индиректно користејќи други математички методи). Тоа е многу различно од идеите претставени на сл. 1 и 2, и излегува дека не е толку едноставно.
За да разберете како функционира ова, треба да размислувате не во однос на масата на протонот m, туку во однос на неговата масовна енергија E = mc 2, енергијата поврзана со масата. Концептуално, точното прашање не е „од каде доаѓа масата на протонот m“, по што можете да го пресметате E со множење m со c 2, туку обратно: „од каде доаѓа енергијата на масата на протонот E, ” по што можете да ја пресметате масата m со делење на E со c 2 .
Корисно е да се класифицираат придонесите за енергијата на масата на протонот во три групи:
А) Масовната енергија (енергија на одмор) на кварковите и антикварковите содржани во неа (глуони, честички без маса, не даваат никаков придонес).
Б) Енергија на движење (кинетичка енергија) на кваркови, антикваркови и глуони.
В) Енергија на интеракција (врзувачка енергија или потенцијална енергија) складирана во силната нуклеарна интеракција (поточно, во глуонските полиња) што го држи протонот.
Ориз. 3 вели дека честичките внатре во протонот се движат со голема брзина и дека тој е полн со глуони без маса, така што придонесот на Б) е поголем од А). Вообичаено, во повеќето физички системи Б) и В) се споредливи, додека В) е често негативно. Значи, масовната енергија на протонот (и неутронот) главно доаѓа од комбинацијата на B) и C), при што А) придонесува со мала фракција. Затоа, масите на протонот и неутронот главно се појавуваат не поради масите на честичките што ги содржат, туку поради енергиите на движење на овие честички и енергијата на нивната интеракција поврзана со глуонските полиња кои ги генерираат силите што го држат протон. Во повеќето други системи кои ни се познати, енергетскиот биланс е различно распределен. На пример, во атомите и во Сончевиот систем А) доминира, а Б) и В) се многу помали и споредливи по големина.
Сумирајќи, истакнуваме дека:
- Ориз. 1 претпоставува дека енергијата на масата на протонот доаѓа од придонесот А).
- Ориз. 2 претпоставува дека двата придонеси А) и Б) се важни, а Б) дава мал придонес.
- Ориз. 3 сугерира дека Б) и В) се важни, а придонесот на А) се покажува како незначителен.
Ако сл. 3 не лаже, масите на кваркот и антикваркот се многу мали. Какви се навистина? Масата на горниот кварк (како и антикваркот) не надминува 0,005 GeV/c 2, што е многу помалку од 0,313 GeV/c 2, што следи од сл. 1. (Масата на долниот кварк е тешко да се измери и варира поради суптилните ефекти, па затоа може да биде многу помала од 0,005 GeV/c2). Масата на долниот кварк е приближно 0,004 GeV/s 2 поголема од масата на горниот кварк. Ова значи дека масата на кој било кварк или антикварк не надминува еден процент од масата на протонот.
Забележете дека ова значи (за разлика од сл. 1) дека односот на долната кварк и масата на кваркот не се приближува до единството! Масата на долниот кварк е најмалку двапати поголема од масата на горниот кварк. Причината што масите на неутронот и протонот се толку слични не е затоа што масите на кварковите нагоре и надолу се слични, туку затоа што масите на кварковите нагоре и надолу се многу мали - а разликата меѓу нив е мала, релативна на масите на протонот и неутронот. Запомнете дека за да го претворите протонот во неутрон, едноставно треба да замените еден од неговите нагоре кваркови со долен кварк (Слика 3). Оваа замена е доволна за да го направи неутронот малку потежок од протонот и да го промени неговото полнење од +e на 0.
Патем, фактот што различните честички внатре во протонот се судираат една со друга, и постојано се појавуваат и исчезнуваат, не влијае на работите за кои разговараме - енергијата се зачувува во секој судир. Масовната енергија и енергијата на движењето на кварковите и глуоните може да се менуваат, како и енергијата на нивната интеракција, но вкупната енергија на протонот не се менува, иако сè внатре во него постојано се менува. Така, масата на протонот останува константна, и покрај неговиот внатрешен вител.
Во овој момент можете да застанете и да ги апсорбирате добиените информации. Неверојатно! Практично целата маса содржана во обичната материја доаѓа од масата на нуклеоните во атомите. И поголемиот дел од оваа маса доаѓа од хаосот својствен за протонот и неутронот - од енергијата на движење на кварковите, глуоните и антикварковите во нуклеоните и од енергијата на силните нуклеарни интеракции што го држат нуклеонот во целата негова состојба. Да: нашата планета, нашите тела, нашиот здив се резултат на таков тивок и до неодамна незамислив пандемониум.
Актобе, 2014 година
Хадрон.Класа на елементарни честички кои учествуваат во силната интеракција. Хадроните се состојат од кваркови и се поделени во две групи: бариони (од три кваркови) и мезони (од кварк и антикварк). Поголемиот дел од материјата што ја набљудуваме се состои од бариони: протони и нуклеони кои се дел од јадрата на атомите.
Активност на радиоактивен извор- односот на вкупниот број на распаѓање на радиоактивни јадра во радиоактивен извор до времето на распаѓање.
Алфа зрачење- вид на јонизирачко зрачење - поток на позитивно наелектризирани честички (алфа честички) кои се испуштаат при радиоактивно распаѓање и нуклеарни реакции. Продорната моќ на алфа зрачењето е мала (тоа е блокирано со лист хартија). Исклучително е опасно изворите на алфа зрачење да навлезат во телото преку храна, воздух или преку оштетена кожа.
Алфа распаѓање(или α-распаѓање) - спонтана емисија на алфа честички (јадра на атом на хелиум) од атомски јадра
Алфа честичка- честичка која се состои од два протони и два неутрони. Идентично со јадрото на атом на хелиум.
Поништување- интеракцијата на елементарна честичка и античестичка, како резултат на што тие исчезнуваат, а нивната енергија се претвора во електромагнетно зрачење.
Уништувањето е реакција на честичка и античестичка што се трансформираат во други честички при судир.
Античестичка е честичка која ги има истите вредности на маса, спин, полнеж и други физички својства како нејзината честичка „близнак“, но се разликува од неа по знаците на некои карактеристики на интеракција (на пример, знакот на електричното полнење). .
Античестичките се близнаци од обични елементарни честички, кои се разликуваат од вторите по знакот на нивниот електричен полнеж и знаците на некои други карактеристики. Честичката и античестичката имаат исти маси, вртења и животни векови.
AC- нуклеарна централа - индустриско претпријатие за производство на електрична или топлинска енергија што користи еден или повеќе нуклеарни реактори и збир на потребни системи, уреди, опрема и структури со потребниот персонал,
Атом- најмалата честичка на хемиски елемент што ги задржува своите својства. Се состои од јадро со протони и неутрони и електрони кои се движат околу јадрото. Бројот на електрони во атомот е еднаков на бројот на протони во јадрото.
Атомска маса- масата на атом на хемиски елемент, изразена во единици за атомска маса (аму). За 1 аму Прифатена е 1/12 од масата на јаглеродниот изотоп со атомска маса 12. 1 amu = 1.6605655·10-27 kg. Атомска маса е збир од масите на сите протони и неутрони во даден атом.
Атомско јадро- позитивно наелектризираниот централен дел на атомот, околу кој се вртат електроните и во кој е концентрирана речиси целата маса на атомот. Се состои од протони и неутрони. Јадреното полнење се определува со вкупниот полнеж на протоните во јадрото и одговара на атомскиот број на хемискиот елемент во периодниот систем на елементи.
Барјоните– честички составени од три кваркови, кои го одредуваат нивниот квантен број. Сите бариони, со исклучок на протонот, се нестабилни.
Базен за складирање- инсталација лоцирана на местото на реакторот на нуклеарна централа за привремено складирање на потрошеното нуклеарно гориво под слој на вода со цел да се намали радиоактивноста и топлината на распаѓање.
Бекерел(Bq) е SI единица за активност на радиоактивна супстанција. 1 Bq е еднаква на активноста на радиоактивна супстанција во која еден настан на распаѓање се случува за 1 секунда.
β γ зраци- проток на брзи електрони.
α-зраци- проток на јадра на хелиум.
γ-зраци- електромагнетни бранови со многу кратка бранова должина (L ~ 10 -10 m).
Бета зрачење- вид на јонизирачко зрачење - проток на електрони или позитрони што се емитуваат за време на нуклеарни реакции или радиоактивно распаѓање. Бета зрачењето може да навлезе во ткивата на телото до длабочина од 1 см. Тоа претставува опасност за луѓето и од гледна точка на надворешна и внатрешна изложеност.
Бета честички– електрони и позитрони емитирани од атомските јадра, како и слободен неутрон при бета распаѓање. За време на електронското бета распаѓање на атомското јадро, се испушта електрон e - (како и антинеутрино); за време на позитронското распаѓање на јадрата, се испушта позитрон e + (и неутрино ν). Распаѓањето на слободен неутрон (n) произведува протон (p), електрон и антинеутрино: n → p + e - + .
Електрон и позитрон– стабилни честички со спин J = 1/2 (внатрешен механички аголен момент), кои припаѓаат на класата лептони. Позитрон е античестичка на електрон.
Биолошка заштита- радијациона бариера создадена околу јадрото на реакторот и неговиот систем за ладење за да се спречат штетните ефекти на неутронското и гама зрачењето врз персоналот, јавноста и животната средина. Во нуклеарната централа главниот материјал за биолошка заштита е бетонот. За реактори со голема моќност, дебелината на бетонскиот заштитен екран достигнува неколку метри.
Бозони(од името на индискиот физичар С. Бозе) – елементарни честички, атомски јадра, атоми со нула или целоброен спин (0ћ, 1ћ, 2ћ,…).
Брзи неутрони- неутрони чија кинетичка енергија е поголема од одредена одредена вредност. Оваа вредност може да варира во широк опсег и зависи од примената (физика на реакторот, заштита или дозиметрија). Во реакторската физика, оваа вредност најчесто се избира да биде 0,1 MeV.
Вилсон комора– детектор на патека на елементарни наелектризирани честички, во кој патеката (трагата) на честичката се формира со синџир на мали капки течност долж траекторијата на нејзиното движење.
Гама зрачење- вид на јонизирачко зрачење - електромагнетно зрачење кое се емитува при радиоактивно распаѓање и нуклеарни реакции, кое се шири со брзина на светлината и има висока енергија и продорна способност. Ефикасно ослабена при интеракција со тешки елементи, како што е олово. За да се намали гама-зрачењето во нуклеарните реактори во нуклеарните централи, се користи заштитен екран со дебели ѕидови направен од бетон.
Закон за радиоактивно распаѓање- законот со кој се наоѓа бројот на нераспаднати атоми: N = N 0 2 -t/T.
Деутериум- „тежок“ изотоп на водород со атомска маса 2.
Детектор за јонизирачко зрачење- чувствителен елемент на мерниот инструмент дизајниран да регистрира јонизирачко зрачење. Нејзиното дејство се заснова на феномени кои се јавуваат кога зрачењето поминува низ материјата.
Доза на зрачење- во радијациона безбедност - мерка за влијанието на јонизирачкото зрачење врз биолошки објект, особено лице. Постојат изложеност, апсорбирани и еквивалентни дози.
Вишок маса(или масовен дефект) – изразена во енергетски единици, разликата помеѓу масата на неутрален атом и производот од бројот на нуклеони (вкупниот број на протони и неутрони) во јадрото на овој атом по единица атомска маса
Изотопи- нуклиди кои имаат ист атомски број, но различни атомски маси (на пример, ураниум-235 и ураниум-238).
Изотопи– атомски јадра кои имаат ист број на протони Z, различен број на неутрони N и, според тоа, различен масен број A = Z + N. Пример: изотопи на калциум Ca (Z = 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca.
Радиоактивните изотопи се изотопски јадра кои се подложени на радиоактивно распаѓање. Повеќето познати изотопи се радиоактивни (~ 3500).
Вилсон комора- уред за набљудување на траги од микрочестички кои се движат со голема брзина (електрони, протони, алфа честички итн.). Создаден во 1912 година од англискиот физичар Вилсон.
Кваркот е елементарна наелектризирана честичка која учествува во силната интеракција. Протоните и неутроните се состојат од три кваркови.
Космичко зрачење- позадинско јонизирачко зрачење, кое се состои од примарно зрачење кое доаѓа од вселената и секундарно зрачење кое произлегува од интеракцијата на примарното зрачење со атмосферата.
Космичките зраци се струи на наелектризирани елементарни честички со висока енергија (главно протони, алфа честички и електрони) кои се шират во меѓупланетарниот и меѓуѕвездениот простор и континуирано ја „бомбардираат“ Земјата.
Стапка на репродукција- најважната карактеристика на верижна реакција на фисија, покажувајќи го односот на бројот на неутрони од дадена генерација со бројот на неутрони од претходната генерација во бесконечна средина. Често се користи друга дефиниција за факторот на множење - односот на стапките на создавање и апсорпција на неутрони.
Критична маса- најмалата маса на гориво во која може да дојде до самоодржлива верижна реакција на нуклеарна фисија со одреден дизајн и состав на јадрото (зависи од многу фактори, на пример: составот на горивото, модераторот, обликот на јадрото итн.).
Кири (Ci)- екстрасистемска единица на активност, првично активност на 1 g од изотопот на радиум-226. 1Ci=3,7·1010 Bq.
Критична маса(tk) - најмалата маса на нуклеарно гориво (ураниум, плутониум) на која се јавува нуклеарна верижна реакција.
Кири(Ci) е вонсистемска единица за активност на радиоактивна супстанција. 1 Ci = 3,7 10 10 Bq.
Лептони(од грчкиот лептос - лесен, мал) - група точки честички со спин од 1/2ћ кои не учествуваат во силни интеракции. Големина на лептон (ако постои)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- електрон (e –) и електронски неутрино (ν e),
- мион (μ –) и мионска неутрина (ν μ),
- тау лептон (τ –) и тау неутрино (ν τ),
Магични јадра се атомски јадра кои ги содржат таканаречените магични броеви на протони или неутрони.
| З | |||||||
| Н |
Овие јадра имаат сврзувачка енергија поголема од соседните јадра. Тие имаат поголема енергија на одвојување на нуклеоните и се почести во природата.
Масовен број(А) - вкупниот број на нуклеони (протони и неутрони) во атомското јадро; една од главните карактеристики на атомското јадро.
Стапка на доза- односот на зголемувањето на дозата на зрачење во временски интервал до овој интервал (на пример: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, μrem/h, μSv/h).
Неутрон- неутрална елементарна честичка со маса блиска до масата на протон. Заедно со протоните, неутроните го формираат атомското јадро. Во слободна состојба е нестабилен и се распаѓа на протон и електрон.
Нуклид- вид на атом со одреден број на протони и неутрони во јадрото, кој се карактеризира со атомска маса и атомски (реден) број.
Збогатување (по изотоп):
2. Процес што резултира со зголемување на содржината на одреден изотоп во мешавина од изотопи.
Збогатување на ураниумска руда- збир на процеси за примарна обработка на суровини што содржат минерален ураниум, со цел да се одвои ураниумот од другите минерали што ја сочинуваат рудата. Во овој случај, нема промена во составот на минералите, туку само нивно механичко одвојување за да се добие руда концентрат.
Збогатено нуклеарно гориво- нуклеарно гориво, во кое содржината на фисилни нуклиди е поголема отколку во оригиналните природни суровини.
Збогатен ураниум- ураниум, во кој содржината на изотопот на ураниум-235 е поголема отколку во природниот ураниум.
Пола живот(Т) е временскиот интервал во кој половина од првичниот број на јадра ќе се распадне.
Пола живот– времето во кое половина од радиоактивните јадра се распаѓаат. Оваа количина, означена како T 1/2, е константа за дадено радиоактивно јадро (изотоп). Вредноста T 1/2 јасно ја карактеризира стапката на распаѓање на радиоактивните јадра и е еквивалентна на две други константи кои ја карактеризираат оваа брзина: просечниот животен век на радиоактивно јадро τ и веројатноста за распаѓање на радиоактивно јадро по единица време λ.
Апсорбираната доза на зрачење- односот на апсорбираната енергија Е на јонизирачкото зрачење со масата на супстанцијата озрачена од него.
Боровите постулати- основните претпоставки воведени без доказ од Н.Бор, кои ја формираат основата на квантната теорија на атомот.
Правило за офсет:за време на а-распаѓање, јадрото го губи својот позитивен полнеж 2e, а неговата маса се намалува за приближно 4 аму; За време на b-распаѓањето, полнењето на јадрото се зголемува за 1e, но масата не се менува.
Полуживот на радионуклид- времето во кое бројот на јадра на даден радионуклид како резултат на спонтано распаѓање ќе се намали за половина.
Позитрон- античестичка на електрон со маса еднаква на масата на електронот, но позитивен електричен полнеж.
Протон- стабилна позитивно наелектризирана елементарна честичка со полнење од 1,61·10-19 C и маса од 1,66·10-27 kg. Протонот го формира јадрото на „лесниот“ изотоп на атомот на водород (протиум). Бројот на протони во јадрото на кој било елемент го одредува полнењето на јадрото и атомскиот број на тој елемент.
Радиоактивност- спонтана трансформација (радиоактивно распаѓање) на нестабилен нуклид во друг нуклид, придружена со емисија на јонизирачко зрачење.
Радиоактивност- способноста на некои атомски јадра спонтано да се трансформираат во други јадра, испуштајќи различни честички.
Радиоактивно распаѓање- спонтана нуклеарна трансформација.
Реактор за одгледување- брз реактор во кој факторот на конверзија надминува 1 и се врши проширена репродукција на нуклеарно гориво.
Гајгеровиот бројач(или Гајгер-Милеровиот бројач) е бројач исполнет со гас на наелектризирани елементарни честички, чијшто електричен сигнал се засилува поради секундарната јонизација на волуменот на гасот на бројачот и не зависи од енергијата што ја остава честичката во оваа волумен.
Елемент за гориво- елемент за гориво. Главниот структурен елемент на јадрото на хетероген реактор, во форма на кој гориво се вчитува во него. Во елементите на горивото, се јавува фисија на тешки јадра U-235, Pu-239 или U-233, придружена со ослободување на енергија, а топлинската енергија се пренесува од нив до течноста за ладење. Елементите за гориво се состојат од јадро за гориво, облоги и крајни делови. Типот на елементот за гориво се одредува според видот и намената на реакторот и параметрите на течноста за ладење. Елементот за гориво мора да обезбеди сигурно отстранување на топлината од горивото до течноста за ладење.
Работно тело- медиум (течност за ладење) што се користи за претворање на топлинската енергија во механичка енергија.
Темна материја− невидлива (неемитувачка и неапсорбирачка) супстанција. Неговото постоење дефинитивно го потврдуваат гравитационите ефекти. Набљудувачките податоци исто така сугерираат дека оваа темна материја-енергија е поделена на два дела:
- првата е таканаречената темна материја со густина
W dm = 0,20-0,25, – непознати масивни честички со слаба интеракција (не бариони). Овие би можеле да бидат, на пример, стабилни неутрални честички со маса од 10 GeV/c2 до 10 TeV/c2, предвидени со суперсиметрични модели, вклучувајќи хипотетички тешки неутрина;
втората е таканаречената темна енергија со густина
W Λ = 0,70-0,75), што се толкува како вакуум. Ова се однесува на посебен облик на материја - физички вакуум, т.е. најниската енергетска состојба на физичките полиња кои продираат во просторот.
Термонуклеарни реакции− реакции на фузија (синтеза) на светлосни јадра кои се случуваат на високи температури. Овие реакции обично вклучуваат ослободување на енергија, бидејќи во потешкото јадро формирано како резултат на спојувањето, нуклеоните се посилно врзани, т.е. имаат, во просек, поголема енергија на врзување отколку во првобитните јадра кои се спојуваат. Вишокот на вкупната енергија на врзување на нуклеоните се ослободува во форма на кинетичка енергија на реакционите производи. Името „термонуклеарни реакции“ го одразува фактот дека овие реакции се случуваат на високи температури ( > 10 7 –10 8 K), бидејќи за фузија лесните јадра мора да се спојат на растојанија еднакви на радиусот на дејство на нуклеарните привлечни сили, т.е. до растојанија од ≈10 -13 cm.
Трансурански елементи− хемиски елементи со полнеж (број на протони) поголем од оној на ураниумот, т.е. Z>92.
Верижна реакција на фисија- самоодржлива реакција на фисија на тешки јадра, во која континуирано се произведуваат неутрони, делејќи се повеќе и повеќе нови јадра.
Верижна реакција на фисија- редоследот на реакцијата на фисија на јадрата на тешките атоми кога тие комуницираат со неутрони или други елементарни честички, како резултат на што се формираат полесни јадра, нови неутрони или други елементарни честички и се ослободува нуклеарна енергија.
Нуклеарна верижна реакција- низа нуклеарни реакции возбудени од честички (на пример, неутрони) родени во секој настан на реакција. Во зависност од просечниот број на реакции по една претходна - помала, еднаква или поголема од една - реакцијата се нарекува распаѓање, самоодржлива или растечка.
Нуклеарни верижни реакции– самоодржливи нуклеарни реакции во кои секвенцијално е вклучен синџир на јадра. Ова се случува кога еден од производите на нуклеарна реакција реагира со друго јадро, производот од втората реакција реагира со следното јадро итн. Синџирот на нуклеарни реакции следи една по друга, се случува. Најпознат пример за таква реакција е реакцијата на нуклеарна фисија предизвикана од неутрон
Егзотермични реакции- нуклеарни реакции кои настануваат со ослободување на енергија.
Елементарни честички- најмалите честички на физичката материја. Идеите за елементарните честички ја одразуваат фазата на знаење за структурата на материјата што е постигната од модерната наука. Заедно со античестичките, откриени се околу 300 елементарни честички. Терминот „елементарни честички“ е условен, бидејќи многу елементарни честички имаат сложена внатрешна структура.
Елементарни честички– материјални предмети кои не можат да се поделат на нивни составни делови. Во согласност со оваа дефиниција, молекулите, атомите и атомските јадра кои можат да се поделат на составни делови не можат да се класифицираат како елементарни честички - атомот се дели на јадро и орбитални електрони, јадрото на нуклеони.
Излез на енергија од нуклеарна реакција- разликата помеѓу останатите енергии на јадрата и честичките пред и по реакцијата.
Ендотермични реакции- нуклеарни реакции кои настануваат со апсорпција на енергија.
Енергија на врзување на атомско јадро(E St) - го карактеризира интензитетот на интеракцијата на нуклеоните во јадрото и е еднаков на максималната енергија што мора да се потроши за да се подели јадрото на поединечни нуклеони кои не се во интеракција без да им се пренесе кинетичка енергија.
Mössb ефект уаера - феноменот на резонантна апсорпција на гама квантите од атомските јадра без губење на енергија поради враќање на импулсот.
Нуклеарен (планетарен) модел на атомот- во центарот има позитивно наелектризирано јадро (со дијаметар од околу 10 -15 m); околу јадрото, како планетите на Сончевиот систем, електроните се движат во кружни орбити.
Нуклеарни модели– поедноставени теоретски описи на атомските јадра, врз основа на претставата на јадрото како објект со претходно познати карактеристични својства.
Реакција на нуклеарна фисија- реакција на фисија на атомски јадра на тешки елементи под влијание на неутрони.
Нуклеарна реакција- реакција на трансформација на атомски јадра како резултат на интеракција едни со други или со некои елементарни честички.
Нуклеарната енергија- ова е енергијата ослободена како резултат на внатрешното преструктуирање на атомските јадра. Нуклеарната енергија може да се добие од нуклеарни реакции или радиоактивно распаѓање на јадрата. Главните извори на нуклеарна енергија се реакции на фисија на тешки јадра и фузија (комбинација) на лесни јадра. Последниот процес се нарекува и термонуклеарни реакции.
Нуклеарни сили- сили кои дејствуваат помеѓу нуклеоните во атомските јадра и ја одредуваат структурата и својствата на јадрата. Тие се со краток дострел, опсегот им е 10 -15 m.
Нуклеарен реактор- уред во кој се врши контролирана верижна реакција на нуклеарна фисија.
Самоодржлива верижна реакција на фисија е верижна реакција во средина за која факторот на множење k >= 1.
Нуклеарна несреќа- нуклеарна несреќа е губење на контролата на верижната реакција во реакторот или формирање на критична маса при претовар, транспорт и складирање на горивните елементи. Како резултат на нуклеарна несреќа, поради нерамнотежа на генерирана и отстранета топлина, прачките за гориво се оштетуваат со ослободување на производи од радиоактивна фисија. Во овој случај, опасно изложување на луѓе и контаминација на околината станува потенцијално можно. .
Нуклеарна безбедност- општ термин кој ги карактеризира својствата на нуклеарната инсталација при нормална работа и во случај на несреќа за ограничување на влијанието на радијацијата врз персоналот, јавноста и животната средина до прифатливи граници.
Нуклеарна фисија- процес придружен со расцепување на јадрото на тежок атом при интеракција со неутронска или друга елементарна честичка, како резултат на што се формираат полесни јадра, нови неутрони или други елементарни честички и се ослободува енергија.
Нуклеарен материјал- секој изворен материјал, специјален нуклеарен материјал, а понекогаш и руди и отпад од руда.
Нуклеарна трансформација- трансформација на еден нуклид во друг.
Нуклеарен реактор- уред во кој се јавува контролирана нуклеарна верижна реакција. Нуклеарните реактори се класифицираат според намената, неутронската енергија, типот на течноста за ладење и модераторот, структурата на јадрото, дизајнот и други карактеристични карактеристики.
Нуклеарна реакција- трансформација на атомските јадра предизвикана од нивната интеракција со елементарните честички или едни со други и придружена со промена на масата, полнежот или енергетската состојба на јадрата.
Нуклеарно гориво- материјал кој содржи фисилни нуклиди, кои, кога се ставаат во нуклеарен реактор, овозможуваат појава на нуклеарна верижна реакција. Има многу висок енергетски интензитет (со целосна фисија на 1 kg U-235 се ослободува енергија еднаква на J, додека со согорување на 1 kg органско гориво се ослободува енергија од редот на (3-5) J, во зависност за видот на горивото).
Циклус на нуклеарно гориво- збир на мерки за обезбедување на функционирање на нуклеарни реактори спроведени во систем на претпријатија меѓусебно поврзани со проток на нуклеарен материјал и вклучувајќи рудници за ураниум, постројки за преработка на руда на ураниум, конверзија на ураниум, збогатување и производство на гориво, нуклеарни реактори, потрошено гориво капацитети за складирање, постројки за преработка на потрошено гориво горива и придружни средно складишни капацитети и капацитети за отстранување на радиоактивен отпад
Нуклеарна инсталација- секој објект во кој се генерираат, обработуваат или ракуваат радиоактивни или фисилни материјали во такви количини што е неопходно да се земат предвид прашањата за нуклеарна безбедност.
Нуклеарната енергија- внатрешна енергија на атомските јадра ослободена при нуклеарна фисија или нуклеарни реакции.
Реактор за нуклеарна енергија- нуклеарен реактор чија главна цел е да произведува енергија.
Нуклеарен реактор- нуклеарен реактор е уред дизајниран да организира контролирана самоодржлива верижна реакција на фисија - секвенца од реакции на нуклеарна фисија во која се ослободуваат слободни неутрони, неопходни за фисија на нови јадра.
Брз неутронски нуклеарен реактор- реакторите значително се разликуваат во спектарот на неутрони - распределбата на неутроните по енергија, и, следствено, во спектарот на апсорбираните (предизвикувајќи нуклеарна фисија) неутрони. Ако јадрото не содржи лесни јадра специјално дизајнирани за умереност како резултат на еластично расејување, тогаш речиси целата умереност се должи на нееластичното расејување на неутроните од јадра со тешка и средна маса. Во овој случај, повеќето фисии се предизвикани од неутрони со енергии од редот на десетици и стотици keV. Таквите реактори се нарекуваат брзи неутронски реактори.
Термички неутронски нуклеарен реактор- реактор чие јадро содржи толкаво количество на модератор - материјал дизајниран да ја намали енергијата на неутроните без значително да ги апсорбира - што повеќето фисии се предизвикани од неутрони со енергија помала од 1 eV.
Нуклеарни сили- сили кои ги држат нуклеоните (протоните и неутроните) во јадрото.
Нуклеарните сили се со кратко дејство . Тие се појавуваат само на многу мали растојанија помеѓу нуклеоните во јадрото од редот од 10 -15 m Должината (1,5 - 2,2) 10 -15 се нарекува опсег на нуклеарни сили .
Откриваат нуклеарните сили наплаќаат независност т.е., привлечноста помеѓу два нуклеона е иста без оглед на состојбата на полнење на нуклеоните - протон или неутрон.
Нуклеарните сили имаат својство на сатурација , што се манифестира во фактот дека нуклеонот во јадрото комуницира само со ограничен број соседни нуклеони најблиску до него. Речиси целосна заситеност на нуклеарните сили се постигнува во α-честичката, која е многу стабилна формација.
Нуклеарни сили зависат од ориентацијата на спиновите на нуклеоните кои содејствуваат . Ова е потврдено со различната природа на расејувањето на неутроните со орто- и водородните молекули на пареа.
Нуклеарни сили не се централни сили .
Со проучување на структурата на материјата, физичарите открија од што се направени атомите, стигнаа до атомското јадро и го поделија на протони и неутрони. Сите овие чекори беа дадени прилично лесно - само требаше да ги забрзате честичките до потребната енергија, да ги туркате една против друга, а потоа тие самите ќе се распаднат на нивните составни делови.
Но, со протоните и неутроните овој трик повеќе не функционираше. Иако тие се композитни честички, тие не можат да се „скршат на парчиња“ дури и при најжестокиот судир. Затоа, на физичарите им требаа децении да смислат различни начини да погледнат внатре во протонот, да ја видат неговата структура и форма. Денес, проучувањето на структурата на протонот е една од најактивните области на физиката на честичките.
Природата дава совети
Историјата на проучување на структурата на протоните и неутроните датира од 1930-тите. Кога, покрај протоните, беа откриени и неутрони (1932), откако ја измерија нивната маса, физичарите беа изненадени кога открија дека е многу блиску до масата на протонот. Покрај тоа, се покажа дека протоните и неутроните ја „чувствуваат“ нуклеарната интеракција на точно ист начин. Толку идентични што, од гледна точка на нуклеарните сили, протонот и неутронот може да се сметаат како две манифестации на иста честичка - нуклеон: протонот е електрично наелектризиран нуклеон, а неутронот е неутрален нуклеон. Заменете ги протоните за неутрони и нуклеарните сили (речиси) нема да забележат ништо.
Физичарите го изразуваат ова својство на природата како симетрија - нуклеарната интеракција е симетрична во однос на замената на протоните со неутрони, исто како што пеперутката е симетрична во однос на замената на лево со десно. Оваа симетрија, покрај тоа што игра важна улога во нуклеарната физика, всушност беше првиот навестување дека нуклеоните имаат интересна внатрешна структура. Точно, тогаш, во 30-тите, физичарите не ја сфатија оваа навестување.
Разбирањето дојде подоцна. Започна со фактот дека во 1940-50-тите години, во реакциите на судирите на протоните со јадрата на различни елементи, научниците беа изненадени кога открија се повеќе и повеќе нови честички. Не протони, не неутрони, не пи-мезони откриени до тоа време, кои држат нуклеони во јадрата, туку некои сосема нови честички. И покрај сета нивна разновидност, овие нови честички имаа две заеднички својства. Прво, тие, како нуклеоните, многу доброволно учествуваа во нуклеарни интеракции - сега таквите честички се нарекуваат хадрони. И второ, тие беа крајно нестабилни. Најнестабилните од нив се распаднаа во други честички за само трилионити дел од наносекундата, немајќи време ниту да летаат со големина на атомско јадро!
Долго време, хадронската „зоолошка градина“ беше целосен хаос. На крајот на 1950-тите, физичарите веќе научија доста различни видови хадрони, почнаа да ги споредуваат едни со други и одеднаш видоа одредена општа симетрија, дури и периодичност, во нивните својства. Беше сугерирано дека во сите хадрони (вклучувајќи ги и нуклеоните) има некои едноставни објекти наречени „кваркови“. Со комбинирање на кваркови на различни начини, можно е да се добијат различни хадрони, и тоа од ист тип и со исти својства кои беа откриени во експериментот.
Што го прави протонот протон?
Откако физичарите ја открија структурата на кварковите на хадроните и дознаа дека кварковите доаѓаат во неколку различни сорти, стана јасно дека многу различни честички може да се конструираат од кваркови. Така, никој не беше изненаден кога последователните експерименти продолжија да пронаоѓаат нови хадрони еден по друг. Но, меѓу сите хадрони, беше откриено цело семејство на честички, кое се состои, исто како и протонот, од само две u-кваркови и еден г-кварк. Еден вид „брат“ на протонот. И тука физичарите беа пред изненадување.
Ајде прво да направиме едно едноставно набљудување. Ако имаме неколку предмети што се состојат од исти „тули“, тогаш потешките предмети содржат повеќе „тули“, а полесните содржат помалку. Ова е многу природен принцип, кој може да се нарече принцип на комбинација или принцип на надградба и функционира совршено и во секојдневниот живот и во физиката. Се манифестира дури и во структурата на атомските јадра - на крајот на краиштата, потешките јадра едноставно се состојат од поголем број протони и неутрони.
Сепак, на ниво на кваркови овој принцип воопшто не функционира и, мора да се признае, физичарите сè уште не сфатиле целосно зошто. Излегува дека тешките браќа на протонот исто така се состојат од истите кваркови како и протонот, иако тие се еден и пол или дури два пати потешки од протонот. Тие се разликуваат од протонот (и се разликуваат едни од други) не состав,и меѓусебно локацијакваркови, според состојбата во која овие кваркови се релативно едни на други. Доволно е да се смени релативната положба на кварковите - и од протонот ќе добиеме друга, забележливо потешка, честичка.
Што ќе се случи ако сепак земете и соберете повеќе од три кваркови заедно? Ќе има ли нова тешка честичка? Изненадувачки, тоа нема да работи - кварковите ќе се распаднат на три и ќе се претворат во неколку расфрлани честички. Поради некоја причина, природата „не сака“ да комбинира многу кваркови во една целина! Само неодамна, буквално во последниве години, почнаа да се појавуваат навестувања дека некои мулти-кварк честички навистина постојат, но ова само нагласува колку природата не ги сака.
Од оваа комбинаторика произлегува многу важен и длабок заклучок - масата на хадроните воопшто не се состои од масата на кваркови. Но, ако масата на хадронот може да се зголеми или намали со едноставно рекомбинирање на неговите составни тули, тогаш не се самите кваркови одговорни за масата на хадроните. И навистина, во последователните експерименти беше можно да се открие дека масата на самите кваркови е само околу два проценти од масата на протонот, а остатокот од гравитацијата се јавува поради полето на силата (специјални честички - глуони) што ги врзува кварковите заедно. Со менување на релативната положба на кварковите, на пример, оддалечувајќи ги еден од друг, го менуваме глуонскиот облак, правејќи го помасивен, поради што се зголемува хадронската маса (сл. 1).
Што се случува во протонот кој брзо се движи?
Сè што е опишано погоре се однесува на неподвижниот протон; на јазикот на физичарите, ова е структурата на протонот во неговата рамка на одмор. Меѓутоа, во експериментот, структурата на протонот првпат била откриена под други услови - внатре брзо летањепротон.
Во доцните 1960-ти, во експериментите за судири на честички кај забрзувачите, беше забележано дека протоните кои патуваат со брзина приближна на светлината се однесуваат како енергијата во нив да не е рамномерно распоредена, туку е концентрирана во одделни компактни објекти. Познатиот физичар Ричард Фајнман предложи овие грутки материја да се наречат во протони партони(од англиски дел -Дел).
Последователните експерименти испитуваа многу од својствата на партоните - на пример, нивниот електричен полнеж, нивниот број и делот од протонската енергија што секој го носи. Излегува дека наелектризираните партони се кваркови, а неутралните партони се глуони. Да, истите тие глуони, кои во рамката на мирување на протонот едноставно ги „сервираа“ кварковите, привлекувајќи ги еден кон друг, сега се независни партони и, заедно со кварковите, ја носат „материјата“ и енергијата на протонот што брзо се движи. Експериментите покажаа дека приближно половина од енергијата се складира во кваркови, а половина во глуоните.
Партоните најпогодно се проучуваат при судири на протони со електрони. Факт е дека, за разлика од протонот, електронот не учествува во силни нуклеарни интеракции и неговиот судир со протон изгледа многу едноставно: електронот емитира виртуелен фотон за многу кратко време, кој се удира во наелектризиран партон и на крајот генерира голем број на честички (сл. 2). Можеме да кажеме дека електронот е одличен скалпел за „отворање“ на протонот и негово делење на посебни делови - сепак, само за многу кратко време. Знаејќи колку често се случуваат такви процеси кај акцелератор, може да се измери бројот на партони во протонот и нивните полнежи.
Кои се навистина Партоните?
И тука доаѓаме до уште едно неверојатно откритие што го направиле физичарите додека ги проучувале судирите на елементарните честички при високи енергии.
Во нормални услови, прашањето од што се состои овој или оној објект има универзален одговор за сите референтни системи. На пример, молекулата на вода се состои од два атоми на водород и еден атом на кислород - и не е важно дали гледаме во стационарна или подвижна молекула. Сепак, ова правило изгледа многу природно! - се нарушува ако зборуваме за елементарни честички кои се движат со брзина блиска до брзината на светлината. Во една референтна рамка, сложената честичка може да се состои од една група на потчестички, а во друга референтна рамка од друга. Излегува дека составот е релативен концепт!
Како може ова да биде? Клучот овде е една важна особина: бројот на честички во нашиот свет не е фиксен - честичките може да се родат и исчезнат. На пример, ако турнете заедно два електрони со доволно висока енергија, тогаш покрај овие два електрони, може да се роди или фотон, или пар електрон-позитрон или некои други честички. Сето ова го дозволуваат квантните закони, а токму тоа се случува во реалните експерименти.
Но, овој „закон за незачувување“ на честичките функционира во случај на судиричестички. Како се случува истиот протон од различни гледни точки да изгледа како да се состои од различен сет на честички? Поентата е дека протонот не е само три кваркови заедно. Помеѓу кварковите има глуонско силно поле. Општо земено, полето на сила (како што е гравитационото или електричното поле) е еден вид материјален „ентитет“ што продира во просторот и им овозможува на честичките да вршат силно влијание една врз друга. Во квантната теорија, полето се состои и од честички, иако посебни - виртуелни. Бројот на овие честички не е фиксен; тие постојано „никнуваат“ од кваркови и се апсорбираат од други кваркови.
ОдморПротонот навистина може да се замисли како три кваркови со глуони кои скокаат меѓу нив. Но, ако го погледнеме истиот протон од друга референтна рамка, како од прозорецот на „релативистички воз“ што минува, ќе видиме сосема поинаква слика. Оние виртуелни глуони кои ги залепија кварковите ќе изгледаат помалку виртуелни, „пореални“ честички. Тие, се разбира, сè уште се раѓаат и се апсорбираат од кваркови, но во исто време тие живеат сами некое време, летајќи покрај кварковите, како вистински честички. Она што изгледа како едноставно поле на сила во една референтна рамка се претвора во прилив на честички во друга рамка! Забележете дека не го допираме самиот протон, туку само го гледаме од друга референтна рамка.
Понатаму повеќе. Колку е поблиска брзината на нашиот „релативистички воз“ до брзината на светлината, толку поневеројатна е сликата што ќе ја видиме внатре во протонот. Како што се приближуваме до брзината на светлината, ќе забележиме дека има се повеќе глуони во внатрешноста на протонот. Покрај тоа, тие понекогаш се делат на парови кварк-антикварк, кои исто така летаат во близина и исто така се сметаат за партони. Како резултат на тоа, ултрарелативистички протон, т.е. протон кој се движи во однос на нас со брзина многу блиска до брзината на светлината, се појавува во форма на меѓусебно продирачки облаци од кваркови, антикваркови и глуони кои летаат заедно и се чини дека се поддржуваат еден со друг (Сл. 3).
Еден читател запознаен со теоријата на релативноста може да биде загрижен. Целата физика се заснова на принципот дека секој процес се одвива на ист начин во сите инерцијални референтни рамки. Но, испаѓа дека составот на протонот зависи од референтната рамка од која го набљудуваме?!
Да, точно, но ова во никој случај не го нарушува принципот на релативност. Резултатите од физичките процеси - на пример, кои честички и колку се создаваат како резултат на судир - се покажаа како непроменливи, иако составот на протонот зависи од референтната рамка.
Оваа ситуација, невообичаена на прв поглед, но ги задоволува сите закони на физиката, е шематски илустрирана на Слика 4. Таа покажува како судирот на два протони со висока енергија изгледа во различни референтни рамки: во останатата рамка на еден протон, во рамката на центарот на масата, во останатата рамка на друг протон. Интеракцијата помеѓу протоните се изведува преку каскада од разделувачки глуони, но само во еден случај оваа каскада се смета за „внатре“ на еден протон, во друг случај се смета за дел од друг протон, а во третиот тоа е едноставно нешто објект кој се разменува помеѓу два протона. Оваа каскада постои, реална е, но на кој дел од процесот треба да му се припише зависи од референтната рамка.
3D портрет на протон
Сите резултати за кои штотуку зборувавме се засноваа на експерименти извршени многу одамна - во 60-70-тите години на минатиот век. Се чини дека оттогаш сè требаше да се проучи и сите прашања да ги најдат своите одговори. Но, не - структурата на протонот сè уште останува една од најинтересните теми во физиката на честички. Покрај тоа, во последниве години, интересот за него повторно се зголеми затоа што физичарите сфатија како да добијат „тродимензионален“ портрет на брзодвижен протон, што се покажа дека е многу потешко од портрет на неподвижен протон.
Класичните експерименти за судири на протони кажуваат само за бројот на партони и нивната дистрибуција на енергија. Во таквите експерименти партоните учествуваат како независни објекти, што значи дека од нив е невозможно да се дознае како партоните се наоѓаат релативно едни на други, или како точно се собираат на протон. Можеме да кажеме дека долго време на физичарите им беше достапен само „еднодимензионален“ портрет на брзодвижен протон.
За да се изгради вистински, тродимензионален портрет на протон и да се дознае распределбата на партоните во вселената, потребни се многу посуптилни експерименти од оние што беа можни пред 40 години. Физичарите научија да вршат такви експерименти неодамна, буквално во последната деценија. Тие сфатија дека меѓу огромниот број различни реакции што се случуваат кога електрон се судри со протон, постои една посебна реакција - длабоко виртуелно Compton расејување, - што може да ни каже за тродимензионалната структура на протонот.
Општо земено, Комптоновото расејување, или Комптоновиот ефект, е еластичен судир на фотон со честичка, на пример, протон. Изгледа вака: пристигнува фотон, се апсорбира од протон, кој за кратко време оди во возбудена состојба, а потоа се враќа во првобитната состојба, емитувајќи фотон во некоја насока.
Комптоновото расејување на обичните светлосни фотони не води до ништо интересно - тоа е едноставно рефлексија на светлината од протон. За да може внатрешната структура на протонот да „стапи во игра“ и да се „почувствува“ дистрибуцијата на кваркови, неопходно е да се користат фотони со многу висока енергија - милијарди пати повеќе отколку во обичната светлина. И токму такви фотони - иако виртуелни - лесно се генерираат од инцидентен електрон. Ако сега комбинираме едно со друго, добиваме длабоко виртуелно Compton расејување (сл. 5).
Главната карактеристика на оваа реакција е тоа што не го уништува протонот. Инцидентниот фотон не само што го погодува протонот, туку, како да е, внимателно го чувствува и потоа одлетува. Насоката во која лета и кој дел од енергијата што протонот ја зема од него зависи од структурата на протонот, од релативната поставеност на партоните во него. Затоа, со проучување на овој процес, можно е да се врати тродимензионалниот изглед на протонот, како да се „изваја неговата скулптура“.
Точно, ова е многу тешко да го направи експериментален физичар. Потребниот процес се случува доста ретко и тешко е да се регистрира. Првите експериментални податоци за оваа реакција беа добиени дури во 2001 година во акцелераторот ХЕРА во германскиот акцелераторски комплекс DESY во Хамбург; нова серија на податоци сега се обработуваат од експериментатори. Сепак, веќе денес, врз основа на првите податоци, теоретичарите цртаат тридимензионални распределби на кваркови и глуони во протонот. Физичка количина, за која физичарите претходно правеа само претпоставки, конечно почна да „излегува“ од експериментот.
Дали не очекуваат некои неочекувани откритија во оваа област? Многу е веројатно дека да. За илустрација, да речеме дека во ноември 2008 година се појави интересна теоретска статија во која се вели дека протонот што се движи брзо не треба да изгледа како рамен диск, туку биконкавна леќа. Ова се случува затоа што партоните што седат во централниот регион на протонот се посилно компресирани во надолжната насока отколку партоните што седат на рабовите. Би било многу интересно експериментално да се тестираат овие теоретски предвидувања!
Зошто сето ова е интересно за физичарите?
Зошто физичарите воопшто треба да знаат точно како материјата е распределена во протоните и неутроните?
Прво, тоа го бара самата логика на развојот на физиката. Постојат многу неверојатно сложени системи во светот со кои модерната теоретска физика сè уште не може целосно да се справи. Хадроните се еден таков систем. Со разбирање на структурата на хадроните, ние ги усовршуваме способностите на теоретската физика, која може да се покаже како универзална и, можеби, ќе помогне во нешто сосема друго, на пример, во проучувањето на суперпроводници или други материјали со необични својства.
Второ, има директна корист за нуклеарната физика. И покрај речиси вековната историја на проучување на атомските јадра, теоретичарите сè уште не го знаат точниот закон за интеракција помеѓу протоните и неутроните.
Тие мора делумно да го погодат овој закон врз основа на експериментални податоци, а делумно да го конструираат врз основа на знаењето за структурата на нуклеоните. Тука ќе помогнат новите податоци за тродимензионалната структура на нуклеоните.
Трето, пред неколку години физичарите беа во можност да добијат не помалку од нова агрегатна состојба на материјата - кварк-глуонска плазма. Во оваа состојба, кварковите не седат во поединечни протони и неутрони, туку слободно одат низ целиот куп нуклеарна материја. Ова може да се постигне, на пример, вака: тешките јадра се забрзуваат во забрзувачот до брзина многу блиска до брзината на светлината, а потоа директно се судираат. Во овој судир, за многу кратко време се јавуваат температури од трилиони степени, што ги топи јадрата во кварк-глуонска плазма. Значи, излегува дека теоретските пресметки на ова нуклеарно топење бараат добро познавање на тридимензионалната структура на нуклеоните.
Конечно, овие податоци се многу неопходни за астрофизиката. Кога тешките ѕвезди експлодираат на крајот од нивниот живот, тие често оставаат зад себе исклучително компактни објекти - неутронски и веројатно кваркови ѕвезди. Јадрото на овие ѕвезди се состои целосно од неутрони, а можеби дури и од ладна кварк-глуонска плазма. Ваквите ѕвезди одамна се откриени, но може само да се погоди што се случува внатре во нив. Значи, доброто разбирање на дистрибуциите на кваркови може да доведе до напредок во астрофизиката.