Усі фізичні тіла природи побудовані з різновиду матерії, яка називається речовиною. Речовини поділяються на дві основні групи - речовини прості та складні.
Складними речовинами називають такі речовини, які шляхом хімічних реакцій можуть бути розкладені на інші, більш прості речовини. На відміну від складних простими речовинами називаються такі, які хімічним шляхом не можуть бути розкладені на ще простіші речовини.
Прикладом складної речовини може бути вода, яка шляхом хімічної реакції може бути розкладена на дві інші, простіші речовини - водень і кисень. Що ж до останніх двох, всі вони хімічним шляхом не можуть бути розкладені більш прості речовини, тому є простими речовинами, чи, інакше, хімічними елементами.
У першій половині ХІХ століття у науці існувало припущення, що хімічні елементи є незмінними речовинами, які мають спільного зв'язку друг з одним. Однак російський учений Д. І. Менделєєв (1834 - 1907) вперше в 1869 р. виявив зв'язок хімічних елементів, показавши, що якісна характеристика кожного з них залежить від його кількісної характеристики - атомної ваги.
Вивчаючи властивості хімічних елементів, Д. І. Менделєєв зауважив, що властивості їх періодично повторюються залежно від їхньої атомної ваги. Цю періодичність він відобразив у формі таблиці, що у науку під назвою «Періодична система елементів Менделєєва».
Нижче наведено сучасну періодичну таблицю хімічних елементів Менделєєва.
Атоми
Відповідно до сучасних уявлень науки кожен хімічний елемент складається з сукупності найдрібніших матеріальних (речових) частинок, які називаються атомами.
Атомом називається найменша частка хімічного елемента, яка не може бути розкладена хімічним шляхом інші, дрібніші і прості матеріальні частки.
Атоми різних за своєю природою хімічних елементів відрізняються один від одного своїми фізико-хімічними властивостями, структурою, розмірами, масою, атомною вагою, своєю енергією та деякими іншими властивостями. Наприклад, атом водню різко відрізняється за своїми властивостями та структурою від атома кисню, а останній – від атома урану тощо.
Встановлено, що атоми хімічних елементів надзвичайно малі за своїми розмірами. Якщо умовно прийняти, що атоми мають кулясту форму, то діаметри їх повинні дорівнювати стомільйонним часткам сантиметра. Наприклад, діаметр атома водню - найменшого атома в природі - дорівнює одній стомільйонній частці сантиметра (10 -8 см), а діаметри найбільших атомів, наприклад атома урану, не перевищують трьох стомільйонних часток сантиметра (3 · 10 -8 см). Отже, атом водню в стільки разів менше кульки радіусом в один сантиметр, скільки останній менше земної кулі.
Відповідно до дуже малих розмірів атомів їх маса також дуже мала. Наприклад, маса атома водню дорівнює т = 1,67 10 -24 р. Це означає, що в одному грамі водню міститься приблизно 6 10 23 атомів.
За умовну одиницю вимірювання атомних ваг хімічних елементів прийнято 1/16 частину ваги атома кисню. Відповідно до цієї атомної ваги хімічного елемента називають абстрактне число, що показує, у скільки разів вага даного хімічного елемента більша за 1/16 частини ваги атома кисню.
У періодичній таблиці елементів Д. І. Менделєєва наведено атомні ваги всіх хімічних елементів (див. число, вміщене під назвою елемента). З цієї таблиці бачимо, що найлегшим атомом є атом водню, що має атомну вагу 1,008. Атомна вага вуглецю дорівнює 12, кисню - 16 і т.д.
Що ж до більш важких хімічних елементів, їх атомний вага перевищує атомний вага водню більш ніж двісті раз. Так, атомний ртуть дорівнює 200,6, радію - 226 і т.д.Чим вище порядок номера, займаного хімічним елементом в періодичній системі елементів, тим більше атомна вага.
Більшість атомних ваг хімічних елементів виражається дробовими числами. Це певною мірою пояснюється тим, що такі хімічні елементи складаються з сукупності скількох сортів атомів, що мають різні атоми ваги, але однакові хімічні властивості.
Хімічні елементи, що займають один номер в періодичній системі елементів, а отже, мають однакові хімічні властивості, але різні атомні ваги, називаються ізотопами.
Ізотопи знайдені у більшості хімічних елементів, має два ізотопи, кальцій – чотири, цинк – п'ять, олово – одинадцять і т. д. Багато ізотопів отримані мистецтво шляхом, серед них деякі мають велике практичне значення.
Елементарні частинки речовини
Довгий час вважалося, що атоми хімічних елем є межею ділимості речовини, тобто як би елементарними "цеглинками" світобудови. Сучасна наука відкинула цю гіпотезу, встановивши, що атом будь-якого хімічного еле є сукупністю ще дрібніших матеріальних частинок, ніж сам атом.
Відповідно до електронної теорії будови речовини атом будь-якого хімічного елемента є системою, що складається з центрального ядра, навколо якого обертаються "елементарні" речові частинки, звані електронами. Ядра атомів, відповідно до загальноприйнятих поглядів, складаються з сукупності "елементарних" речових частинок - протонів і нейтронів.
Щоб зрозуміти будову атомів та фізико-хімічні процеси в них, необхідно хоча б коротко ознайомитися з основними характеристиками елементарних частинок, що входять до складу атомів.
Встановлено, що електрон - це речовинна частка, що володіє найменшим спостерігається в природі негативним електричним зарядом.
Якщо умовно вважати, що електрон як частка має кулясту форму, то діаметр електрона повинен бути рівним 4 · 10 -13 см, тобто він менше діаметра будь-якого атома в десятки тисяч разів.
Електрон, як і будь-яка інша речова частка, має масу. " Маса спокою " електрона, т. е. та маса, що він має у стані відносного спокою, дорівнює m про = 9,1 · 10 -28 р.
Винятково мала "маса спокою" електрона свідчить про те, що інертні властивості електрона виявляються винятково слабо, а це означає, що електрон під впливом змінної електричної сили може коливатися у просторі з частотою у багато мільярдів періодів на секунду.
Маса електрона настільки мала, що для отримання одного грама електронів їх потрібно взяти 1027 одиниць. Щоб мати хоча б деяке фізичне уявлення про цю колосально велику кількість, наведемо такий приклад. Якби можна було один грам електронів розташувати на прямій лінії впритул один до одного, то вони утворили б ланцюжок завдовжки чотири мільярди кілометрів.
Маса електрона, як і будь-якої іншої речовинної мікрочастинки, залежить від швидкості його руху.Електрон, перебуваючи у стані відносного спокою, має "масу спокою", що має механічну природу, як і маса будь-якого фізичного тіла. Що ж до " маси руху " електрона, що збільшується зі зростанням швидкості його руху, вона електромагнітного походження. Вона обумовлена наявністю у електрона електромагнітного поля, що рухається, як деякого виду матерії, що володіє масою і електромагнітною енергією.
Чим швидше рухається електрон, тим більше проявляються інерційні властивості його електромагнітного поля, тим, отже, більша маса останнього і електромагнітна енергія його. Оскільки електрон зі своїм електромагнітним полем становить єдину, органічно пов'язану матеріальну систему, то природно, що масу руху електромагнітного поля електрона можна безпосередньо приписати самому електрону.
Електрон, крім властивостей частки, має і хвильові властивості. Досвідом встановлено, що потік електронів, подібно до світлового потоку, поширюється у формі хвилеподібного руху. Характер хвильового руху електронного потоку у просторі підтверджується явищами інтерференції та дифракції електронних хвиль.
Інтерференція електронів- це явище накладання електронної волі один на одного, а дифракція електронів- це явище огинання електронними хвилями країв вузької щілини, крізь яку проходить електронний потік. Отже, електрон - це не просто частка, а "частка-хвиля", довжина якої залежить від маси та швидкості руху електрона.
Встановлено, що електрон, окрім свого поступального руху, здійснює ще й обертальний рух довкола своєї осі. Цей вид руху електрона отримав назву "спина" (від англійського слова "спін" – веретено). В результаті такого руху електрон, крім електричних властивостей, зумовлених електричним зарядом, набуває ще й магнітних властивостей, нагадуючи в цьому відношенні елементарний магнітик.
Протон - це речова частка, що має позитивний електричний заряд, рівним за абсолютною величиною електричного заряду електрона.
Маса протона дорівнює 1,67 · 10-24 г, тобто вона приблизно в 1840 разів більша за "масу спокою" електрона.
На відміну від електрона та протона, нейтрон не має електричного заряду, тобто він є електронейтральною «елементарною» частинкою речовини. Маса нейтрону практично дорівнює масі протону.
Електрони, протони та нейтрони, перебуваючи у складі атомів, взаємодіють один з одним. Зокрема, електрони та протони взаємно притягуються один до одного як частинки, що володіють різноіменними електричними зарядами. Одночасно з цим електрон від електрона і протон від протона відштовхуються як частинки, що мають однойменні електричні заряди.
Взаємодія всіх цих електрично заряджених частинок відбувається через їхні електричні поля. Ці поля є особливий вид матерії, що складається з сукупності елементарних матеріальних частинок, званих фотонами. Кожен фотон має строго певну властиву йому кількість енергії (квантом енергії).
Взаємодія електрично заряджених матеріальних речових частинок здійснюється шляхом обміну їх один з одним фотонами. Сила взаємодії електрично заряджених часток зазвичай називається електричною силою.
Нейтрони і протони, що у ядрах атомів, також взаємодіють друг з одним. Однак це взаємодія їх здійснюється вже не через електричне поле, тому що нейтрон - електронейтральна частка речовини, а через так зване ядерне поле.
Це поле також є особливим видом матерії, що складається з сукупності елементарних матеріальних частинок, званих мезонами. Взаємодія нейтронів та протонів здійснюється шляхом обміну їх один з одним мезонами. Сила взаємодії нейтронів та протонів один з одним називається ядерною силою.
Встановлено, що ядерні сили діють у ядрах атомів у межах виключно малих відстаней – приблизно 10 – 13 см.Ядерні сили значно перевершують за величиною електричні сили взаємного відштовхування протонів в ядрі атома. Це призводить до того, що вони спроможні не тільки подолати всередині ядер атомів сили взаємного відштовхування протонів, а й створити з сукупності протонів і нейтронів міцні системи ядер.
Стійкість ядра кожного атома залежить від співвідношення двох суперечливих сил - ядерних (взаємне тяжіння протонів та нейтронів) та електричних (взаємне відштовхування протонів).
Потужні ядерні сили, які у ядрах атомів, сприяють перетворенню нейтронів і протонів друг на друга. Ці взаємоперетворення нейтронів та протонів здійснюються в результаті виділення або поглинання ними легших елементарних частинок, наприклад, мезонів.
Розглянуті нами частинки названі елементарними тому, що вони складаються з сукупності інших, більш простих частинок матерії. Але в той же час не слід забувати, що вони здатні перетворюватися один на одного, виникати за рахунок один одного. Таким чином, ці частинки є деякими складними утвореннями, тобто їхня елементарність умовна.
Хімічна будова атомів
Найпростішим за своїм пристроєм атомом є атом водню. Він складається із сукупності лише двох елементарних частинок - протона та електрона. Протон у системі атома водню відіграє роль центрального ядра, навколо якого по деякій орбіті обертається електрон. На рис. 1 схематично показано модель атома водню.
Мал. 1. Схема будови атома водню
Ця модель – лише грубе наближення до дійсності. Справа в тому, що електрон як "частка-хвиля" не має різко відмежованого від зовнішнього середовища обсягом. А це означає, що слід говорити не про деяку точну лінійну орбіту електрона, а про своєрідну електронну хмаринку. При цьому електрон найчастіше займає деяку середню лінію хмаринці, що є однією з можливих його орбіт в атомі.
Треба сказати, що і сама орбіта електрона не є строго незмінною і нерухомою в атомі - вона теж через зміну маси електрона здійснює деякий обертальний рух. Отже, рух електрона в атомі має відносно складний характер. Так як ядро атома водню (протон) і електрон, що обертається навколо нього, володіють різноіменними електричними зарядами, то вони взаємно притягуються.
Одночасно з цим стій енергії електрон, обертаючись навколо ядра атома, розвиває відцентрову силу, що прагне видалити його від ядра. Отже, електрична сила взаємного тяжіння ядра атома і електрона і відцентрова сила, що діє на електрон - сили суперечливі.
При рівновазі їх електрон займає відносно стійке становище певної орбіті в атомі. Так як маса електрона дуже мала, то для врівноваження сили тяжіння до ядра атома він повинен обертатися з величезною швидкістю, що дорівнює приблизно 6 10 15 оборотів в секунду. Це означає, що електрон у системі атома водню, як і будь-якому іншому атомі, рухається своєю орбітою з лінійною швидкістю, що перевищує тисячу кілометрів на секунду.
У нормальних умовах електрон обертається в атомі роду по близько розташованій до ядра орбіті. При цьому він має мінімальну можливу кількість енергії. Якщо ж з тих чи інших причин, наприклад під впливом будь-яких інших матеріальних частинок, що вторгнулися систему атома, електрон перейде на більш віддалену від атома орбіту, то він вже матиме дещо більшу кількість енергії.
Однак на цій новій орбіті електронно перебуває мізерно малий час, після чого він знову обертається на найближчу до ядра атома орбіту. У цьому ході він віддає надлишок своєї енергії як кванта еле магнітного випромінювання - променистої енергії (рис. 2).
Мал. 2. Електрон при переході з далекої орбіти на ближчу до ядра атома випромінює квант променистої енергії
Чим більше отримує ззовні енергії електрон, тим на віддалену від ядра атома орбіту він переходить і більше електромагнітної енергії він випромінює, коли обертається на найближчу до ядра орбіту.
Вимірюючи кількість енергії, що випромінюється електроном при переході з різних орбіт на найближчу до ядра атома, вдалося встановити, що електрон у системі атома водню, як і в системі будь-якого іншого атома, може переходити не на будь-яку довільну орбіту, суворо визначену відповідно до тієї енергією, що він отримує під впливом зовнішньої сили. Орбіти, які може займати електрон атомі, називаються дозволеними орбітами.
Оскільки позитивний заряд ядра атома водню (заряд протона) і негативний заряд електрона чисельно рівні, сумарний їх заряд дорівнює нулю. Це означає, що атом водню, перебуваючи у нормальному стані, є електронейтральною частинкою.
Це справедливо для атомів усіх хімічних елементів: атом будь-якого хімічного елемента, що знаходиться в нормальному стані, є електронейтральною частинкою через чисельну рівність його позитивних і негативних зарядів.
Оскільки до складу ядра атома водню входить лише одна "елементарна" частка - протон, то так зване масове число цього ядра дорівнює одиниці. Масовим числом ядра атома будь-якого хімічного елемента називається загальна кількість протонів і нейтронів, що входять до складу цього ядра.
Природний водень в основному складається з сукупності атомів з масовим числом, що дорівнює одиниці. Однак у складі його є інший сорт атомів водню, з масовим числом рівним двом. Ядра атомів цього важкого водню, звані дейтонами, складаються з двох частинок - протона і нейтрона. Цей ізотоп водню називається дейтерієм.
У природному водні дейтерію міститься дуже незначна кількість. На кожні шість тисяч атомів легкого водню (масове число дорівнює одиниці) припадає лише один атом дейтерію (важкого водню). Існує ще один ізотоп водню - надважкий водень, що отримав назву тритій. У ядрах атома цього ізотопу водню є три частинки: протон і два нейтрони, пов'язані один з одним ядерними силами. Масове число ядра атома тритію дорівнює трьом, тобто атом тритію втричі важчий за атом легкого водню.
Хоча атоми ізотопів водню і мають різні маси але все ж таки вони мають однакові хімічні властивості, Наприклад, легкий водень, вступаючи в хімічну взаємодію з киснем, утворює з ним складну речовину - воду. Аналогічно цьому ізотоп водню - дейтерій, з'єднуючись із киснем, утворює воду, яка на відміну від звичайної води називається важкою водою. Тяжка вода знаходить велике застосування у процесі виробництва ядерної (атомної) енергії.
Отже, хімічні властивості атомів залежать немає від маси їх ядер, лише від будови електронної оболонки атома. Оскільки в атомах легкого водню, дейтерію та тритію є однакова кількість електронів (по одному на кожен атом), ці ізотопи мають однакові хімічні властивості.
Хімічний елемент водень не випадково займає перший номер у періодичній системі елементів. Справа в тому, що між номером будь-якого елемента в періодичній системі елементів і величиною заряду атома ядра цього елемента існує деякий зв'язок. Її можна сформулювати так: порядковий номер будь-якого хімічного елемента в періодичній системі елементів чисельно дорівнює позитивному заряду ядра цього елемента, а отже, і числу електронів, що обертаються навколо нього.
Оскільки водень займає перший номер у періодичній системі елементів, це означає, що позитивний заряд ядра його атома дорівнює одиниці і навколо ядра обертається один електрон.
Хімічний елемент гелій займає другий номер у періодичній системі елементів. Це означає, що він має позитивний електричний заряд ядра, що дорівнює двом одиницям, тобто у складі його ядра має бути два протони, а в електронній оболонці атома - два електроди.
Природний гелій складається з двох ізотопів - важкого та легкого гелію. Масове число важкого гелію дорівнює чотирьом. Це означає, що до складу ядра атома важкого гелію, крім вищезгаданих двох протонів, повинні входити ще два нейтрони. Що ж до легкого гелію, його масове число дорівнює трьом, т. е. до його ядра, крім двох протонів, повинен входити ще один нейтрон.
Встановлено, що у природному гелії кількість атомів легкого гелію становить приблизно одну мільйонну частку атомів важкого генія. На рис. 3 схематично показана модель атома гелію.
Мал. 3. Схема будови атома гелію
Подальше ускладнення будови атомів хімічних елементів відбувається за рахунок збільшення кількості протонів і нейтронів у ядрах цих атомів і одночасно за рахунок збільшення кількості електронів, що обертаються навколо ядер (рис. 4). Користуючись періодичною системою елементів, легко визначити кількість електронів, протонів і нейтронів, що входять до складу різних атомів.
Мал. 4. Схеми будови ядер атомів: 1 – гелій, 2 – вуглець, 3 – кисень
Порядковий номер хімічного елемента дорівнює числу протонів, що знаходяться в ядрі атома, а одночасно з цим електронів, що обертаються навколо ядра. Що ж до атомної ваги, він приблизно дорівнює масовому числу атома, т. е. числу разом узятих протонів і нейтронів в ядрі. Отже, віднімаючи з атомної ваги елемента число, що дорівнює порядковому номеру елемента, можна визначити, скільки нейтронів міститься в даному ядрі.
Встановлено, що ядра легких хімічних елементів, що мають у своєму складі порівну протонів та нейтронів, відрізняються дуже великою міцністю, оскільки ядерні сили в них відносно великі. Наприклад, ядро атома важкого гелію відрізняється виключно великою міцністю, оскільки воно складено з двох протонів та двох нейтронів, пов'язаних один з одним потужними ядерними силами.
Ядра атомів більш важких хімічних елементів містять у своєму складі вже неоднакову кількість протонів і нейтронів, тому їхній зв'язок у ядрі слабший, ніж у ядрах легких хімічних елементів. Ядра цих елементів можуть бути відносно легко розщеплені за бомбардування їх атомними «снарядами» (нейтронами, ядрами атома гелію і т. д.).
Що ж до найбільш важких хімічних елементів, зокрема радіоактивних, їх ядра відрізняються настільки малою міцністю, що вони мимоволі розпадаються на складові. Наприклад, атоми радіоактивного елемента радію, що складається з сукупності 88 протонів і 138 нейтронів, мимоволі розпадаються, перетворюючись на атоми радіоактивного елемента радону. Атоми останнього у свою чергу розпадаються на складові, переходячи в атоми інших елементів.
Ознайомившись коротко зі складовими частинами ядер атомів хімічних елементів, розглянемо будову електронних оболонок атомів. Як відомо, електрони можуть обертатися навколо ядер атомів тільки за певними орбітами. При цьому вони згруповані в електронній оболонці кожного атома, що можна розрізнити окремі шари електронів.
У кожному шарі може бути кількість електронів, що не перевищує строго певного числа. Так, наприклад, у першому, найближчому до ядра атома електронному шарі може знаходитися максимум два електрони, у другому - не більше восьми електронів і т.д.
Ті атоми, які мають зовнішні електронні шари повністю заповнені, мають найбільш стійку електронну оболонку. Це означає, що даний атом міцно тримає всі свої електрони і не потребує отримання ззовні додаткової кількості їх. Наприклад, атом гелію має два електрони, що повністю заповнюють перший електронний шар, а атом неону має десять електронів, з яких перші два повністю заповнюють перший електронний шар, а решта - другий (рис. 5).
Мал. 5. Схема будови атома неону
Отже, атоми гелію і неону мають цілком стійкі електронні оболонки, не прагнуть їх якось змінити кількісно. Такі елементи хімічно інертні, т. е. не входять у хімічну взаємодію Космосу з іншими елементами.
Однак більшість хімічних елементів мають такі атоми, в яких зовнішні електронні шари повністю заповнені електронами. Наприклад, атом калію має дев'ятнадцять електронів, з яких вісімнадцять повністю заповнюють перші три шари, а дев'ятнадцятий електрон один знаходиться в наступному незаповненому електронному шарі. Слабке заповнення електронами четвертого електронного шару призводить до того, що ядро атома дуже слабко утримує зовнішній - дев'ятнадцятий електрон, тому останній може бути легко вирваний з атома. .
Або, наприклад, атом кисню має вісім електронів, з яких два повністю заповнюють перший шар, а решта шести розміщені в другому шарі. Таким чином, для завершення побудови другого електронного шару в атомі кисню йому не вистачає лише двох електронів. Тому атом кисню не тільки міцно утримує свої шість електронів у другому шарі, але й має можливість притягнути до себе два недостатні йому електрони для заповнення свого другого електронного шару. Цього він досягає шляхом хімічної сполуки з атомами таких елементів, у яких зовнішні електрони слабко пов'язані зі своїми ядрами.
Хімічні елементи, атоми яких немає повністю заповнених електронами зовнішніх електронних верств, зазвичай, хімічно активні, т. е. охоче входять у хімічне взаємодія.
Отже, електрони в атомах хімічних елементів розташовуються в строго певному порядку і будь-яка зміна їхнього просторового розташування чи кількості в електронній оболонці атома призводить до зміни фізико-хімічних властивостей останнього.
Рівність числа електронів та протонів у системі атома є причиною того, що сумарний електричний заряд його дорівнює нулю. Якщо рівність числа електронів і протонів у системі атома порушується, то атом стає електрично зарядженою системою.
Атом, у системі якого порушено рівновагу різноіменних електричних зарядів внаслідок того, що він втратив частину своїх електронів або, навпаки, придбав зайву кількість їх, називається іоном.
Навпаки, якщо атом набуває деяку зайву кількість електронів, він стає негативним іоном. Наприклад, атом хлору, який отримав один зайвий електрон, перетворюється на однозарядний негативний іон хлору Сl - . Атом кисню, який отримав зайвих два електрони, перетворюється на двозарядний негативний іон кисню Про і т.д.
Атом, що перетворився на іон, стає по відношенню до зовнішнього середовища електрично зарядженою системою. А це означає, що атом став мати електричне поле, разом з яким він становить єдину матеріальну систему і через це поле здійснює електричну взаємодію з іншими електрично зарядженими частинками речовини - іонами, електронами, позитивно зарядженими ядрами атомів і т.д.
Здатність різноіменних іонів взаємно притягуватися один до одного є причиною того, що вони хімічно з'єднуються, утворюючи складніші частинки речовини - молекули.
На закінчення слід зазначити, що розміри атома дуже великі проти розмірами тих речових частинок, у тому числі вони складаються. Ядро найскладнішого атома разом із усіма електронами займає мільярдну частку обсягу атома. Простий підрахунок показує, що якби вдалося один кубічний метр платини стиснути так міцно, щоб зникли внутрішньоатомні та міжатомні простори, то вийшов би об'єм, що дорівнює приблизно одному кубічному міліметру.
Насамперед, необхідно зрозуміти, що існує чотири окремих види енергії, що виділяється:
1) хімічна енергія, яка живить наші автомобілі, а також більшу частину пристроїв сучасної цивілізації;
2) енергія ядерного розщеплення, що використовується для вироблення близько 15% споживаної нами електрики;
3) енергія гарячого ядерного синтезу, яка живить сонце та більшість зірок;
4) енергія холодного ядерного синтезу, яка спостерігається деякими експериментаторами при лабораторних дослідженнях та існування якої відкидається більшістю вчених.
Кількість виділеної ядерної енергії (теплота/фунт палива) всіх трьох типів у 10 мільйонів разів перевищує той самий показник при виділенні хімічної енергії. Чим різняться ці види енергії? Для того, щоб розібратися в цьому питанні, потрібні деякі знання в галузі хімії та фізики.
Скориставшись пропозиціями даного інтернет магазину, що продає товари для дому, Ви легко зможете купити будь-які товари за прийнятними цінами.
Природа дала нам два види стабільно заряджених частинок: протони та електрони. Протон – це важка, як правило, дуже маленька, позитивно заряджена частка. Електрон зазвичай легкий, великий з розмитими межами і має негативний заряд. Позитивний та негативний заряди притягуються один до одного, як, наприклад, північний полюс магніту притягує південний. Якщо магніт північним полюсом піднести до південного полюса іншого магніту, вони зіткнуться. При зіткненні виділиться невелика кількість енергії у вигляді тепла, але занадто мало, щоб його легко було виміряти. Щоб роз'єднати магніти, доведеться здійснити роботу, тобто витратити енергію. Це приблизно те саме, що підняти камінь назад на пагорб.
Коли камінь скочується вниз з пагорба, виділяється невелика кількість тепла, процес підйому каменю назад вимагатиме витрати енергії.
Так само позитивний заряд протона стикається з негативним зарядом електрона, вони «склеюються», виділяючи енергію. В результаті утворюється атом водню, що позначається як Н. Атом водню - це не що інше, як розмитий електрон, що обволікає невеликий протон. Якщо вибити електрон з атома водню, то вийде позитивно заряджений іон Н+, який є більш ніж первісним протоном. «Іон» - це назва, яка застосовується до атома або молекули, які втратили або придбали один або більше електронів, і внаслідок цього перестали бути нейтральними.
Як відомо, у природі існує більш ніж один вид атомів. Ми маємо атоми кисню, атоми азоту, атоми заліза, атоми гелію та інші. Чим усі вони відрізняються? Всі вони мають ядра різного типу, і всі ядра містять різну кількість протонів, отже, мають різний позитивний заряд. У ядрі гелію міститься 2 протона, отже, воно має заряд плюс 2, і для того, щоб нейтралізувати заряд, потрібно 2 електрони. Коли до нього «приклеюється» 2 електрони, утворюється атом гелію. Ядро кисню містить 8 протонів і має заряд 8. Коли до нього «приклеюється» 8 електронів, утворюється атом кисню. Атом азоту має 7 електронів, атом заліза - близько 26. Проте, будова всіх атомів приблизно збігається: маленьке, позитивно заряджене ядро, що у хмарі розмитих електронів. Різниця у розмірі між ядром та електронами величезна.
Діаметр Сонця всього в 100 разів більший за діаметр Землі. Діаметр хмари електронів в атомі у 100 000 разів перевищує діаметр ядра. Щоб отримати різницю в обсягах, необхідно звести ці числа в куб.
Наразі ми готові зрозуміти, що таке хімічна енергія. Атоми, електрично нейтральні, насправді можуть з'єднуватися один з одним, вивільняючи більше енергії. Інакше кажучи, можуть з'єднуватися у більш стійкі зміни. Електрони вже в атомі намагаються розподілятися так, щоб якомога тісніше наблизитися до ядра, але внаслідок своєї розмитої природи їм потрібен певний простір. Проте, з'єднуючись з електронами іншого атома, зазвичай утворюють тіснішу конфігурацію, що дозволяє їм наблизитися до ядрам. Наприклад, 2 атоми водню можуть з'єднатися в більш компактну конфігурацію, якщо кожен атом водню віддасть свій електрон хмарі з 2 електронів, що ділиться між двома протонами.
Таким чином, вони формують групу, що складається з двох електронів в єдиній хмарі і двох протонів, відокремлених один від одного простором, проте, що знаходяться всередині хмари електронів. В результаті відбувається хімічна реакція, що протікає з виділенням тепла: Н + Н => Н Г (Знак « = >» означає «переходить в» або «стає»). Зміна Н 2 - це молекула водню; коли ви купуєте балон з воднем, то отримуєте не що інше як молекули Н. Більше того, з'єднавшись, два електрони Н 2 і 8 електронів атома можуть утворити ще більш компактну конфігурацію - молекулу води Н про плюс тепло. Насправді молекула води - це єдина хмара електронів, усередині якої знаходяться три точкові ядра. Така молекула мінімальної енергетичної конфігурацією.
Таким чином, спалюючи нафту чи вугілля, ми перерозподіляємо електрони. Це призводить до утворення найбільш стійких змін точкових ядер усередині хмар електронів та супроводжується виділенням тепла. У цьому полягає природа хімічної енергії.
У попередньому міркуванні ми випустили з уваги один момент. Чому в природі ядра спочатку містять два або більше протонів? Кожен протон має позитивний заряд, а коли відстань між позитивними зарядами настільки мала, що можна порівняти з простором, що оточує ядро, вони сильно відштовхуються один від одного. Відштовхування однойменних зарядів подібно до відштовхування, що виникає між північними полюсами двох магнітів, коли їх намагаються неправильно з'єднати. Має бути щось, що долає це відштовхування, інакше існували б лише атоми водню. На щастя, бачимо, що це не так.
Існує сила іншого типу, що впливає на протон. Це ядерна сила. Завдяки тому, що вона дуже велика, частки міцно утримуються практично одна на одній. Крім того, існує другий тип важких частинок, які відрізняються від протона тільки тим, що не мають позитивного, ні негативного заряду. Вони не відштовхуються позитивним зарядом протону. Ці частинки називаються «нейтронами», оскільки є електрично нейтральними. Особливістю і те, що постійне стан частинок можливе лише всередині ядра. Коли частка виявляється поза ядром, протягом близько 10 хвилин вона перетворюється на протон, електрон і дуже легкий антинейтрино. Однак усередині ядра вона може залишатися незмінною як завгодно довго. Як би там не було, нейтрон і протон дуже притягуються один до одного. Наблизившись достатню відстань, вони з'єднуються, утворюючи дуже міцну пару, так званий дейтрон, який позначається D+. Поодинокий дейтрон, з'єднуючись з одиночним електроном, утворює атом важкого водню, або дейтерію, що позначається D.
Друга ядерна реакція відбувається, коли взаємодіють два дейтрони. Коли змушують взаємодіяти два дейтрони, вони з'єднуються, утворюючи частинку, що має подвійний заряд. Угруповання з двох протонів і двох нейтронів навіть більш стійке, ніж угруповання протон-нейтрон у дейтроні. Нова частка, нейтралізована двома електронами, стає ядром атома гелію, який позначається Не. У природі існують і великі угруповання, що є ядрами вуглецю, азоту, кисню, заліза та інших атомів. Існування всіх цих угруповань можливе завдяки ядерній силі, яка виникає між частинками, коли вони взаємодіють один з одним або ділять між собою загальний обсяг простору, що дорівнює розміру ядра.
Тепер ми можемо зрозуміти природу звичайної ядерної енергії, яка є енергією ядерного розщеплення. Протягом ранньої історії всесвіту формувалися потужні зірки. Під час вибуху таких масивних зірок утворювалися ядра багатьох типів і знову розривалися в космічному просторі. Планети та зірки, включаючи Сонце, утворювалися з цієї маси.
Можливо, в процесі вибуху з'явилися всі можливі стійкі конфігурації протонів і нейтронів, а також практично стійкі угруповання, як ядро урану. Насправді існує три різновиди ядер атомів урану: уран-234, уран-235 та уран-238. Ці «ізотопи» різняться кількістю нейтронів, проте всі вони містять по 92 протони. Ядра атомів урану будь-якого типу можуть перетворитися на менш енергетичні конфігурації шляхом викиду ядер гелію, проте цей процес відбувається настільки рідко, що земний уран зберігає свої властивості протягом близько 4 мільярдів років.
Проте існує й інший спосіб порушити конфігурацію ядра урану. Загалом угруповання протонів і нейтронів є найбільш стійкими, якщо містять близько 60 пар протон-нейтрон. Кількість таких пар, які у ядрі урану, втричі перевищує цю цифру. Внаслідок цього воно прагне розділитися на дві частини, виділивши при цьому велику кількість тепла. Проте природа не дозволяє йому розділитися. Для того, щоб це зробити, йому спочатку потрібно перейти в більш високоенергетичну конфігурацію. Однак, один із видів урану - уран-235, що позначається 235 U, - отримує необхідну енергію, захопивши нейтрон. Отримавши таким чином необхідну енергію, ядро розпадається, виділяючи величезну кількість енергії та випускаючи при цьому додаткові нейтрони. Ці додаткові нейтрони можуть розщеплювати ядра урану-235, що призводить до ланцюгової реакції.
Саме цей процес і відбувається на ядерних електростанціях, де тепло, що є кінцевим продуктом ядерного розпаду, використовується для кип'ятіння води, утворення пари та обертання електричного генератора. (Недоліком цього є виділення радіоактивних відходів, які необхідно надійно усувати).
Тепер ми готові зрозуміти сутність гарячого ядерного синтезу. Як було сказано в уроці 5, угруповання протонів та нейтронів найбільш стійкі, коли кількість протонів та нейтронів приблизно відповідає їх кількості в ядрі атома заліза. Подібно до урану, який у нормальному стані містить надто багато нейтронів-протонів, легкі елементи, такі як водень, гелій, вуглець, азот та кисень, містять замало таких пар.
Якщо створити необхідні умови для того, щоб ці ядра могли взаємодіяти, вони з'єднаються у більш стійкі угруповання із виділенням теплоти. Так відбувається процес синтезу. У природі він зустрічається у таких зірках, як Сонце. У природі стиснутий водень сильно нагрівається, і через деякий час відбувається реакція синтезу. Якби спочатку процес відбувався з дейтронами, які вже містять подвоєні протон та нейтрон, реакції у зірках протікала б відносно легко. Швидкість, з якою атом кожного конкретного типу рухається всередині хмари подібних атомів, залежить від температури. Чим більша температура, тим вище швидкість, і тим ближчі атоми один до одного, здійснюючи одномоментне зіткнення.
У зірках температура досить велика, щоб електрони залишили ядра. Таким чином, можна говорити, що насправді ми маємо справу зі змішаною хмарою електронів та ядер. При дуже високій температурі ядра в момент зіткнення настільки наближаються один до одного, що включається ядерна сила, що притягує їх один до одного. Внаслідок цього ядра можуть «склеїтися» і перетворитися на більш низькоенергетичне угруповання протонів та нейтронів, випустивши тепло. Гарячий ядерний синтез є спробою провести цей процес у лабораторних умовах з використанням дейтерію та потрійного водню (ядро якого містить 1 протон та 2 нейтрони) у вигляді газу. Для гарячого синтезу потрібно підтримувати температуру газу в сотні мільйонів градусів, що за допомогою магнітного поля можна досягти, але тільки на 1-2 секунди. Є надія, що з'явиться можливість зберігати температуру газу протягом тривалішого періоду часу. Поки температура є досить високою, ядерна реакція протікає в момент зіткнення ядер.
Основна форма, в якій виділяється енергія – це випуск високоенергетичних нейтронів та протонів. Протони дуже швидко перетворюються на тепло. Енергія нейтронів теж може перетворитися на тепло, проте, після цього обладнання стає радіоактивним. Дезактивувати обладнання є дуже складним, тому гарячий синтез не годиться як метод для комерційного виробництва енергії. У будь-якому випадку енергія гарячого синтезу - це мрія, що існує вже принаймні 50 років. Проте більшість учених розглядають гарячий синтез як єдиний спосіб отримання енергії синтезу. У процесі гарячого синтезу утворюється менше радіації, ніж при розщепленні, він є екологічно чистим та практично необмеженим джерелом палива на Землі (щодо сучасного споживання енергії, було б достатньо на багато мільйонів років).
Нарешті ми підійшли до пояснення холодного синтезу. Холодний синтез може стати простим та нерадіоактивним способом виділення енергії синтезу. У процесі холодного синтезу протони та нейтрони одного ядра взаємодіють з протонами та нейтронами іншого зовсім інакше.
У цьому ядерна сила сприяє з того що вони утворюють більш стійку конфігурацію. Для будь-якої ядерної реакції необхідно, щоб ядра, що реагують, мали загальний обсяг простору. Ця вимога називається суміщенням частинок. При гарячому синтезі поєднання частинок відбувається на короткий час, коли долається сила відштовхування двох позитивних зарядів і ядра стикаються. Під час холодного синтезу умова поєднання частинок досягається шляхом примусу ядер дейтерію поводитися як розмиті частинки, подібні до електронів, а не як крихітні точкові частинки. Коли легкий або важкий водень доданий до важкого металу, кожен «атом» водню займає таку позицію, де він з усіх боків оточений атомами важкого металу.
Така форма водню називається проміжною. Електрони атомів водню разом із проміжним воднем стають частиною маси електронів у металі. Кожне ядро водню коливається, подібно до маятника, проходячи крізь негативно заряджену хмару електронів металу. Така вібрація виникає навіть за дуже низької температури, відповідно до постулатів квантової механіки. Подібний рух називається рухом нульової точки. При цьому ядра стають розмитими об'єктами як електрони в атомі. Однак такої нечіткості недостатньо для того, щоб дозволити одному ядру водню взаємодіяти з іншим.
Необхідна ще одна умова, щоб у двох або більше ядер водню виявився один і той же загальний простір. Електричний струм, що переноситься електронами в металі, поводиться як вібруюча речовинна хвиля, а не як точкові частки. Якби електрони не поводилися в твердих тілах подібно до хвиль, сьогодні не існувало б ні транзисторів, ні сучасних комп'ютерів. Електрон як хвилі називається електроном блоховской функції. Секрет холодного синтезу у необхідності одержання дейтрона блохівської функції. Для того, щоб два або більше дейтронів мали загальний об'єм простору, всередині або на поверхні твердої речовини потрібно отримати дейтрони хвильові. Як тільки створюються дейтрони блохівської функції, починає діяти ядерна сила, і протони і нейтрони, що входять до складу дейтрону, переорганізуються на більш стійку конфігурацію гелію блохівської функції, що супроводжується виділенням тепла.
Для вивчення холодного синтезу експериментатору потрібно змусити дейтрони перейти у хвильовий стан та підтримувати їх у такому стані. Експерименти холодного синтезу, що демонструють виділення надлишкового тепла, доводять, що це можливо. Однак, досі ніхто не знає, як можна провести подібний процес найбільш надійним способом. Використання холодного синтезу обіцяє одержання енергетичного ресурсу, якого вистачить на мільйони років, при цьому не буде ні проблем глобального потепління, ні радіоактивності – ось чому слід докласти серйозних зусиль для вивчення цього явища.
- Переклад
У центрі кожного атома знаходиться ядро, крихітний набір частинок під назвою протони та нейтрони. У цій статті ми вивчимо природу протонів та нейтронів, що складаються з частинок ще дрібнішими за розміром – кварків, глюонів та антикварків. (Глюони, як і фотони є античастинками самі собі). Кварки і глюони, наскільки нам відомо, можуть бути по-справжньому елементарними (неподільними і такими, що не складаються, дрібніші за розміром). Але до них згодом.
Як не дивно, у протонів та нейтронів маса майже однакова – з точністю до відсотка:
- 0,93827 ГеВ/с 2 у протона,
- 0,93957 ГеВ/с 2 у нейтрону.
Оскільки вони такі схожі, і оскільки з цих частинок складаються ядра, протони і нейтрони часто називають нуклонами.
Протони ідентифікували та описали приблизно 1920 року (хоча відкриті вони були раніше; ядро атома водню – це просто окремий протон), а нейтрони знайшли десь 1933-го. Те, що протони і нейтрони такі схожі один на одного, зрозуміли майже відразу. Але те, що вони мають вимірний розмір, порівнянний із розміром ядра (приблизно в 100 000 разів менше атома по радіусу), не знали до 1954-го. Те, що вони складається з кварків, антикварків та глюонів, поступово розуміли з середини 1960-х до середини 1970-х. До кінця 70-х і початку 80-х наше розуміння протонів, нейтронів, і того, з чого вони складаються, здебільшого устаканилося, і відтоді залишається незмінним.
Нуклони описати набагато складніше, ніж атоми чи ядра. Не сказати, що атоми в принципі прості, але принаймні можна сказати, не роздумуючи, що атом гелію складається з двох електронів, що знаходяться на орбіті навколо крихітного ядра гелію; а ядро гелію – досить проста група з двох нейтронів та двох протонів. А ось із нуклонами все вже не так просто. Я вже писав у статті "Що таке протон, і що в нього всередині?", Атом схожий на елегантний менует, а нуклон - на дику вечірку.
Складність протона і нейтрона, зважаючи на все, справжні, і не випливають з неповних фізичних знань. У нас є рівняння, які використовуються для опису кварків, антикварків та глюонів, а також сильних ядерних взаємодій, що відбуваються між ними. Ці рівняння називаються КХД, від "квантової хромодинаміки". Точність рівнянь можна перевіряти різними способами, включаючи вимірювання кількості частинок, що з'являються на Великому адронному колайдері. Підставляючи рівняння КХД в комп'ютер і запускаючи обчислення властивостей протонів і нейтронів та інших подібних частинок (із загальною назвою «адрони»), ми отримуємо передбачення властивостей цих частинок, що добре наближаються до спостережень, зроблених у реальному світі. Тому ми маємо підстави вважати, що рівняння КХД не брешуть, і що наше знання протона і нейтрону ґрунтується на вірних рівняннях. Але просто мати правильні рівняння недостатньо, бо:
- У простих рівнянь можуть виявитися дуже складні рішення,
- Іноді неможливо описати складні рішення у простий спосіб.
Через внутрішню складність нуклонів вам, читачу, доведеться зробити вибір: як багато ви хочете дізнатися з приводу описаної складності? Неважливо, як далеко ви зайдете, задоволення це вам, швидше за все, не принесе: чим більше ви дізнаватиметеся, тим зрозуміліше вам ставатиме тема, але підсумкова відповідь залишиться тим самим – протон і нейтрон дуже складні. Я можу запропонувати вам три рівні розуміння зі збільшенням деталізації; Ви можете зупинитися після будь-якого рівня і перейти на інші теми, або можете занурюватися до останнього. Щодо кожного рівня виникають питання, відповіді на які можу частково дати в наступному, але нові відповіді викликають нові питання. У результаті – як я роблю у професійних обговореннях з колегами та просунутими студентами – я можу лише надіслати вас до даних отриманих у реальних експериментах, до різних впливових теоретичних аргументів, та комп'ютерних симуляцій.
Перший рівень розуміння
З чого складаються протони та нейтрони?Мал. 1: надмірно спрощена версія протонів, що складаються тільки з двох верхніх кварків і одного нижнього, і нейтронів, що складаються тільки з двох нижніх кварків і одного верхнього
Щоб спростити справу, у багатьох книгах, статтях та на сайтах зазначено, що протони складаються з трьох кварків (двох верхніх та одне нижнього) та малюють щось на кшталт рис. 1. Нейтрон такий самий, що тільки складається з одного верхнього та двох нижніх кварків. Це просте зображення ілюструє те, у що вірили деякі вчені, переважно у 1960-х. Але незабаром стало зрозуміло, що ця точка зору надмірно спрощена настільки, що вже не є коректною.
З більш досвідчених джерел інформації ви дізнаєтеся, що протони складається з трьох кварків (двох верхніх та одного нижнього), які утримуються разом глюонами – і там може з'явитися картинка, схожа на рис. 2 де глюони намальовані у вигляді пружинок або ниток, що утримують кварки. Нейтрони такі самі, тільки з одним верхнім кварком і двома нижніми.
Мал. 2: покращення рис. 1 за рахунок акценту на важливій ролі сильної ядерної взаємодії, що утримує кварки в протоні
Не такий поганий спосіб опису нуклонів, оскільки він робить акцент на важливій ролі сильної ядерної взаємодії, що утримує кварки в протоні за рахунок глюонів (точно так само, як з електромагнітною взаємодією пов'язаний фотон, частка, з яких складається світло). Але це теж збиває з пантелику, оскільки насправді не пояснює, що таке глюони і що вони роблять.
Є причини рухатися далі і описувати речі так, як я робив у: протон складається з трьох кварків (двох верхніх та одного нижнього), купи глюонів і гори пар кварк-антикварк (в основному це верхні та нижні кварки, але є і кілька дивних) . Всі вони літають туди і сюди з дуже великою швидкістю (наближаючись до швидкості світла); весь цей набір утримується за допомогою сильної ядерної взаємодії. Я продемонстрував це на рис. 3. Нейтрони знову такі самі, але з одним верхнім і двома нижніми кварками; Кварк, що змінив належність, вказаний стрілкою.
Мал. 3: більш реалістичне, хоча все одно неідеальне зображення протонів та нейтронів
Ці кварки, антикварки і глюони не тільки шалено носяться туди-сюди, але і стикаються один з одним, і перетворюються один на одного через такі процеси, як анігіляція частинок (у якій кварк і антикварк одного типу перетворюються на два глюони, або навпаки) або поглинання та випромінювання глюону (в якому можуть зіткнутися кварк і глюон і породити кварк і два глюони, або навпаки).
Що у цих трьох описів загального:
- Два верхні кварки та нижній кварк (плюс щось ще) біля протона.
- Один верхній кварк і два нижні кварки (плюс ще щось) у нейтрона.
- "Ще щось" у нейтронів збігається з "ще чимось" у протонів. Тобто у нуклонів «ще щось» однакове.
- Невелика різниця в масі у протона та нейтрону з'являється через різницю мас нижнього кварка і верхнього кварка.
- у верхніх кварків електричний заряд дорівнює 2/3 e (де e – заряд протона, -e – заряд електрона),
- у нижніх кварків заряд дорівнює -1/3e,
- у глюонів заряд 0,
- у будь-якого кварку та відповідного йому антикварка загальний заряд дорівнює 0 (наприклад, у антинижнього кварка заряд +1/3e, так що у нижнього кварка та нижнього антикварка заряд буде –1/3 e +1/3 e = 0),
- загальний електричний заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- загальний електричний заряд нейтрону 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- скільки «ще чогось» усередині нуклону,
- що воно там робить,
- звідки беруться маса та енергія маси (E = mc 2 , енергія, присутня там, навіть коли частка спочиває) нуклону.
Мал. 1 говорить про те, що кварки, по суті, є третиною нуклону - приблизно так, як протон або нейтрон представляють чверть ядра гелію або 1/12 ядра вуглецю. Якби цей малюнок був правдивий, кварки в нуклоні рухалися б відносно повільно (зі швидкостями набагато меншими за світлову) з відносно слабкими взаємодіями, що діють між ними (хоча і за наявності якоїсь потужної сили, яка утримує їх на місці). Маса кварку, верхнього і нижнього, становила б тоді близько 0,3 ГеВ/с 2 приблизно третину маси протона. Але це просте зображення і ідеї, що їм нав'язуються, просто невірні.
Мал. 3. дає зовсім інше уявлення про протон, як про казан частинок, що снують у ньому зі швидкостями, близькими до світловий. Ці частинки стикаються один з одним, і в цих зіткненнях деякі з них анігілюють, інші створюються на їх місці. Глюони немає маси, маси верхніх кварків становлять порядку 0,004 ГеВ/с 2 , а нижніх – порядку 0,008 ГеВ/с 2 - у сотні разів менше протона. Звідки береться енергія маси протона, питання складне: частина її йде від енергії маси кварків та антикварків, частина – від енергії руху кварків, антикварків та глюонів, а частина (можливо, позитивна, можливо, негативна) з енергії, що зберігається у сильній ядерній взаємодії, утримує кварки, антикварки та глюони разом.
У певному сенсі рис. 2 намагається усунути різницю між рис. 1 та рис. 3. Він спрощує рис. 3 видаляючи безліч пар кварк-антикварк, які, в принципі, можна назвати ефемерними, оскільки вони постійно виникають і зникають, і не є необхідними. Але вона справляє враження того, що глюони в нуклонах є безпосередньою частиною сильної ядерної взаємодії, що утримує протони. І вона пояснює, звідки береться маса протона.
У рис. 1 є інший недолік, крім вузьких рамок протону та нейтрону. Вона не пояснює деякі властивості інших адронів, наприклад, півонії та ро-мезону. Ті ж проблеми є і рис. 2.
Ці обмеження і призвели до того, що своїм студентам і на моєму сайті я даю картинку з рис. 3. Але хочу попередити, що і вона має безліч обмежень, які я розгляну пізніше.
Варто відзначити, що надзвичайну складність будови, яка має на увазі рис. 3, варто було очікувати від об'єкта, який утримує разом така потужна сила, як сильна ядерна взаємодія. І ще одне: три кварки (два верхні і один нижній у протона), що не є частиною групи пар кварків-антикварків, часто називають «валентними кварками», а пари кварків-антикварків – «морем кваркових пар». Така мова у багатьох випадках технічно зручна. Але він дає хибне враження того, що якби ви змогли заглянути всередину протона, і подивилися на певний кварк, ви відразу змогли б сказати, чи є він частиною моря чи валентним. Цього зробити не можна, такого способу немає.
Маса протону та маса нейтрону
Оскільки маси протона і нейтрону так схожі, і оскільки протон і нейтрон відрізняються тільки заміною верхнього кварка нижнім, здається ймовірним, що їх маси забезпечуються тим самим способом, виходять з одного джерела, і їх різниця полягає в невеликій відмінності між верхнім і нижнім кварками . Але три наведені малюнки говорять про наявність трьох дуже різних поглядів на походження маси протона.Мал. 1 говорить про те, що верхній і нижній кварки просто складають по 1/3 від маси протона і нейтрону: близько 0,313 ГеВ/с 2 або через енергію, необхідну для утримання кварків в протоні. І оскільки різниця між масами протона та нейтрону становить частку відсотка, різниця між масами верхнього та нижнього кварку теж має становити частку відсотка.
Мал. 2 менш зрозумілий. Яка частина маси протону існує завдяки глюона? Але, в принципі, з малюнка випливає, що більшість маси протона все одно походить від маси кварків, як на рис. 1.
Мал. 3 відображає більш тонкий підхід до того, як насправді з'являється маса протона (як ми можемо перевірити безпосередньо через комп'ютерні обчислення протона, і безпосередньо з використанням інших математичних методів). Він дуже відрізняється від ідей, представлених на рис. 1 і 2, і виявляється не таким простим.
Щоб зрозуміти, як це працює, потрібно думати не в термінах маси протона m, але в термінах його енергії маси E = mc 2 енергії, пов'язаної з масою. Концептуально правильним питанням буде «звідки взялася маса протона m», після якого ви можете підрахувати E, помноживши m на c 2 , а навпаки: «звідки береться енергія маси протона E», після якого можна підрахувати масу m, розділивши E на c 2 .
Корисно класифікувати внески в енергію маси протона за трьома групами:
А) Енергія маси (енергія спокою) кварків і антикварків, що містяться в ньому (глюони, безмасові частинки, ніякого вкладу не роблять).
Б) Енергія руху (кінетична енергія) кварків, антикварків та глюонів.
В) Енергія взаємодії (енергія зв'язку або потенційна енергія), що зберігається у сильній ядерній взаємодії (точніше, у глюонних полях), що утримують протон.
Мал. 3 говорить про те, що частинки всередині протона рухаються з великою швидкістю, і що в ньому повно безмасових глюонів, тому внесок Б більше А). Зазвичай, у більшості фізичних систем Б) та В) виявляються порівнянними, причому В) часто негативно. Так що енергія маси протона (і нейтрону) в основному виходить із комбінації Б) та В), а А) вносить малу частку. Тому маси протона і нейтрону з'являються в основному не через мас частинок, що містяться в них, а через енергій руху цих частинок і енергії їх взаємодії, пов'язаної з глюонними полями, що породжують сили, що утримують протон. У більшості інших знайомих нам систем баланс енергій розподілено по-іншому. Наприклад, в атомах і Сонячній системі домінує А), а Б) і В) виходять набагато менше, і можна порівняти за величиною.
Підбиваючи підсумки, зазначимо, що:
- Мал. 1 припускає, що енергія маси протона походить зі вкладу А).
- Мал. 2 передбачає, що важливі обидва внески А) і В), і трохи своєї частки вносить Б).
- Мал. 3 передбачає, що важливі Б) та В), а внесок А) виявляється незначним.
Якщо рис. 3 не бреше, маси кварку і антикварка дуже малі. Які вони насправді? Маса верхнього кварку (як і антикварка) вбирається у 0,005 ГеВ/с 2 , що набагато менше, ніж 0,313 ГеВ/с 2 , що випливає з рис. 1. (Масу верхнього кварка важко виміряти, і це значення змінюється через тонкі ефекти, так що вона може виявитися набагато меншою, ніж 0,005 ГеВ/с 2). Маса нижнього кварку приблизно на 0,004 ГеВ/с 2 більша за масу верхнього. Це означає, що маса будь-якого кварку чи антикварка не перевищує одного відсотка маси протона.
Зверніть увагу, що це означає (суперечливо рис. 1), що відношення маси нижнього кварку до верхнього не наближається до одиниці! Маса нижнього кварку щонайменше вдвічі перевищує масу верхнього. Причина того, що маси нейтрону і протона такі схожі, не в тому, що схожі маси верхнього і нижнього кварків, а в тому, що маси верхнього і нижнього кварків дуже малі - і різниця між ними мала, по відношенню до мас протону і нейтрону. Згадайте, що для перетворення протона на нейтрон, вам потрібно просто замінити один з його верхніх кварків на нижній (рис. 3). Цієї заміни достатньо для того, щоб зробити нейтрон трохи важчим за протон, і поміняти його заряд з +е на 0.
До речі, той факт, що різні частинки всередині протона стикаються один з одним, і постійно з'являються і зникають, не впливає на речі, які ми обговорюємо – енергія зберігається в будь-якому зіткненні. Енергія маси та енергія руху кварків і глюонів може змінюватися, як і енергія їхньої взаємодії, але загальна енергія протона не змінюється, хоча все всередині нього постійно змінюється. Так що маса протона залишається постійною, незважаючи на його внутрішній вихор.
На цьому моменті можна зупинитися та ввібрати отриману інформацію. Вражаюче! Практично вся маса, що міститься у звичайній матерії, походить із маси нуклонів в атомах. І більшість цієї маси походить з хаосу, властивого протону і нейтрону – з енергії руху кварків, глюонів і антикварків в нуклонах, і з роботи сильних ядерних взаємодій, утримують нуклон у цілому стані. Так: наша планета, наші тіла, наше дихання є результатом такого тихого, і, донедавна, неймовірного стовпотворіння.
Актобе, 2014
Адрон.Клас елементарних частинок, що беруть участь у сильній взаємодії. Адрони складаються з кварків і поділяються на дві групи: баріони (з трьох кварків) та мезони (з кварку та антикварка). Більшість спостерігається нами речовини складається з баріонів: протонів і нуклонів, що входять до ядра атомів.
Активність джерела радіоактивного випромінювання- відношення загальної кількості розпадів радіоактивних ядер у радіоактивному джерелі на час розпаду.
Альфа-випромінювання- вид іонізуючого випромінювання - потік позитивно заряджених частинок (альфа-часток), що випускаються при радіоактивному розпаді ядерних реакціях. Проникаюча здатність альфа-випромінювання невелика (затримується аркушем паперу). Надзвичайно небезпечним є потрапляння джерел альфа-випромінювання всередину організму з їжею, повітрям або через пошкодження шкіри.
Альфа-розпад(або α-розпад) – мимовільне випромінювання атомними ядрами альфа-часток (ядер атома гелію)
Альфа-частка- частка, що складається з двох протонів та двох нейтронів. Ідентична ядру атома гелію.
Анігіляція (Annihilation)- взаємодія елементарної частинки та античастинки, внаслідок якого вони зникають, а їх енергія перетворюється на електромагнітне випромінювання.
Анігіляція - реакція перетворення частки та античастинки при зіткненні на інші частки.
Античастка - частка, що має ті ж значення маси, спина, заряду та ін фізичних властивостей, що і її "двійник"-частка, але відрізняється від неї знаками деяких характеристик взаємодії (наприклад, знаком електричного заряду).
Античастинки – двійники звичайних елементарних частинок, що відрізняються від останніх знаком електричного заряду та знаками деяких інших характеристик. У частки та античастинки збігаються маси, спини, часи життя.
АС- атомна станція - промислове підприємство для виробництва електричної або теплової енергії з використанням одного або кількох ядерних енергетичних реакторів та комплексу необхідних систем, пристроїв, обладнання та споруд з необхідним персоналом,
атом- Найменша частка хімічного елемента, що зберігає його властивості. Складається з ядра з протонами та нейтронами та електронів, що рухаються навколо ядра. Число електронів в атомі дорівнює числу протонів в ядрі.
Атомна маса- Маса атома хімічного елемента, виражена в атомних одиницях маси (а.е.м.). За 1 а.о.м. прийнята 1/12 частина маси ізотопу вуглецю з атомною масою 12. 1а.е.м. = 1,6605655 · 10-27 кг. Атомна маса складається з мас всіх протонів і нейтронів у цьому атомі.
Атомне ядро- Позитивно заряджена центральна частина атома, навколо якої обертаються електрони і в якій зосереджена практично вся маса атома. Складається з протонів та нейтронів. Заряд ядра визначається сумарним зарядом протонів у ядрі та відповідає атомному номеру хімічного елемента в періодичній системі елементів.
Баріони- Частки, що складаються з трьох кварків, що визначають їх квантові числа. Усі баріони, крім протона, нестабільні.
Басейн-сховище- установка, що розміщується на реакторному майданчику атомної станції для тимчасового зберігання відпрацьованого ядерного палива під шаром води з метою зниження радіоактивності та залишкового тепловиділення.
Бекерель(Бк) – одиниця активності радіоактивної речовини в СІ. 1 Бк дорівнює активності такої радіоактивної речовини, в якій за час 1 с відбувається один акт розпаду.
β γ-промені- Потік швидких електронів.
α-промені- Потік ядер гелію.
γ-промені- електромагнітні хвилі з дуже короткою довжиною хвилі (Л ~ 10 -10 м).
Бета-випромінювання- вид іонізуючого випромінювання - потік електронів або позитронів, що випромінюються при ядерних реакціях або радіоактивному розпаді. Бета-випромінювання може проникати в тканини організму на глибину до 1 см. Небезпека для людини як з точки зору зовнішнього, так і внутрішнього опромінення.
Бета-частинки– електрони та позитрони, що випускаються атомними ядрами, а також вільним нейтроном при бета-розпаді. При електронному бета-розпаді атомного ядра випускається електрон - (а також антинейтрино), при позитронному розпаді ядер - позитрон е + (і нейтрино ν). При розпаді вільного нейтрону (n) утворюється протон (р) електрон та антинейтрино: n → р + е - +.
Електрон та позитрон- Стабільні частинки зі спином J = 1/2 (внутрішнім механічним моментом кількості руху), що відносяться до класу лептонів. Позитрон є античастинкою по відношенню до електрона.
Біологічний захист- радіаційний бар'єр, що створюється навколо активної зони реактора та системи його охолодження, для запобігання шкідливому впливу нейтронного та гамма-випромінювання на персонал, населення та навколишнє середовище. На атомній станції основним матеріалом біологічного захисту бетон. Для реакторів великої потужності товщина бетонного захисного екрану сягає кількох метрів.
Бозони(від прізвища індійського фізика С. Бозе) - елементарні частинки, атомні ядра, атоми, що володіють нульовим або цілим спином (0?, 1?, 2?, ...).
Швидкі нейтрони- нейтрони, кінетична енергія яких вище певної певної величини. Ця величина може змінюватись у широкому діапазоні і залежить від застосування (фізика реакторів, захист або дозиметрія). У фізиці реакторів ця величина найчастіше вибирається рівною 0,1 МеВ.
Камера Вільсона– трековий детектор елементарних заряджених частинок, у якому трек (слід) частинки утворює ланцюжок дрібних крапельок рідини вздовж траєкторії її руху.
Гамма-випромінювання- вид іонізуючого випромінювання - електромагнітне випромінювання, що випускається при радіоактивному розпаді та ядерних реакціях, що поширюється зі швидкістю світла і має велику енергію і проникаючу здатність. Ефективно послаблюється при взаємодії з важкими елементами, наприклад свинцем. Для ослаблення гамма-випромінювання в ядерних реакторах атомних станцій використовують захисний товстостінний екран з бетону.
Закон радіоактивного розпаду- Закон, за яким знаходять число атомів, що не розпалися: N = N 0 2 -t/T .
Дейтерій- "Важкий" ізотоп водню з атомною масою 2.
Детектор іонізуючого випромінювання- чутливий елемент засобу вимірювання, призначений для реєстрації іонізуючого випромінювання. Його дія ґрунтується на явищах, що виникають при проходженні випромінювання через речовину.
Доза випромінювання- у радіаційній безпеці – міра впливу іонізуючого випромінювання на біологічний об'єкт, зокрема людину. Розрізняють експозиційну, поглинену та еквівалентну дози.
Надлишок маси(або дефект маси) – виражена в одиницях енергії різниця маси нейтрального атома та добутку числа нуклонів (сумарного числа протонів та нейтронів) у ядрі цього атома на атомну одиницю маси
Ізотопи- нукліди, що мають однаковий атомний номер, але різні атомні маси (наприклад, уран-235 та уран-238).
Ізотопи– атомні ядра, що мають однакове число протонів Z, різне число нейтронів N і, отже, різне масове число A = Z + N. Приклад: ізотопи кальцію Са (Z = 20) – 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca.
Радіоактивні ізотопи - ядра-ізотопи, що зазнають радіоактивного розпаду. Більшість відомих ізотопів – радіоактивні (~3500).
Камера Вільсона- прилад для спостереження слідів, що рухаються з великою швидкістю мікрочастинок (електронів, протонів, а-часток та ін). Створена 1912 р. англійським фізиком Вільсоном.
Кварк - елементарна заряджена частка, що у сильному взаємодії. Протони та нейтрони складаються кожен із трьох кварків.
Космічне випромінювання- фонове іонізуюче випромінювання, що складається з первинного випромінювання, що надходить з космічного простору, та вторинного випромінювання, що виникає в результаті взаємодії первинного випромінювання з атмосферою.
Космічні промені - потоки заряджених елементарних частинок високої енергії (в основному - протонів, альфа-часток та електронів), що поширюються в міжпланетному та міжзоряному просторі і безперервно "бомбардують" Землю.
Коефіцієнт розмноження- найважливіша характеристика ланцюгової реакції поділу, що показує відношення числа нейтронів даного покоління до нейтронів попереднього покоління в нескінченному середовищі. Часто використовується й інше визначення коефіцієнта розмноження – відношення швидкостей генерації та поглинання нейтронів.
Критична маса- найменша маса палива, в якій може протікати ланцюгова реакція поділу ядер, що самопідтримується, при певній конструкції і складі активної зони (залежить від багатьох факторів, наприклад: складу палива, сповільнювача, форми активної зони та ін).
Кюрі (Кі)- позасистемна одиниця активності, спочатку активність 1 г ізотопу радію-226. 1Кі = 3,7 · 1010 Бк.
Критична маса(Т к) - найменша маса ядерного пального (урану, плутонію), при якій здійснюється ланцюгова ядерна реакція.
Кюрі(Кі) – позасистемна одиниця активності радіоактивної речовини. 1 Кі = 3,7 10 10 Бк.
Лептони(від грец. leptos – легкий, дрібний) – група точкових частинок зі спином 1/2ћ, які беруть участь у сильній взаємодії. Розмір лептону (якщо він існує)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- електрон (е –) та електронне нейтрино (ν e),
- мюон (μ –) та мюонне нейтрино (ν μ),
- тау-лептон (τ –) та тау-нейтрино (ν τ),
Магічні ядра - атомні ядра, що містять так звані магічні числа протонів або нейтронів.
| Z | |||||||
| N |
Ці ядра мають енергію зв'язку більше, ніж сусідні ядра. Вони мають велику енергію відділення нуклону та підвищену поширеність у природі.
Масове число(А) - загальна кількість нуклонів (протонів і нейтронів) в атомному ядрі; одна з основних характеристик атомного ядра.
Потужність дози- відношення збільшення дози випромінювання за інтервал часу до цього інтервалу (наприклад: бер/с, Зв/с, мбер/год, мЗв/год, мкбер/год, мкЗв/год).
Нейтрон- нейтральна елементарна часто з масою, близькою масі протона. Разом із протонами нейтрони утворюють атомне ядро. У вільному стані нестабільний і розпадається на протон та електрон.
Нуклід- вид атома з певним числом протонів та нейтронів у ядрі, що характеризується атомною масою та атомним (порядковим) номером.
Збагачення (за ізотопом):
2. Процес, в результаті якого збільшується вміст певного ізотопу у суміші ізотопів.
Збагачення уранової руди- сукупність процесів первинної обробки мінеральної урановмісної сировини, що мають на меті відділення урану від інших мінералів, що входять до складу руди. У цьому немає зміни складу мінералів, лише їх механічне поділ з отриманням рудного концентрату.
Збагачене ядерне паливо- ядерне паливо, в якому вміст нуклідів, що діляться, більший, ніж у вихідній природній сировині.
Збагачений уран- уран, у якому вміст ізотопу урану-235 вищий, ніж у природному урані.
Період напіврозпаду(Т) – інтервал часу, протягом якого розпадеться половина первісної кількості ядер.
Період напіврозпаду- Час, протягом якого розпадається половина радіоактивних ядер. Ця величина, що позначається T 1/2 є константою для даного радіоактивного ядра (ізотопу). Величина T 1/2 наочно характеризує швидкість розпаду радіоактивних ядер і еквівалентна двом іншим константам, що характеризує цю швидкість: середньому часу життя радіоактивного ядра і ймовірності розпаду радіоактивного ядра в одиницю часу λ.
Поглинена доза випромінювання- відношення поглиненої енергії Е іонізуючого випромінювання до маси нею речовини, що опромінюється.
Постулати Бора- основні припущення, введені без доказу Н. Бором, які покладено основою квантової теорії атома.
Правило усунення:при а-распаде ядро втрачає позитивний заряд 2е, та її маса зменшується приблизно 4 а.е.м.; при b-розпаді заряд ядра збільшується на 1е, а маса не змінюється.
Період напіврозпаду радіонукліду- час, протягом якого кількість ядер даного радіонукліду внаслідок мимовільного розпаду зменшиться вдвічі.
Позитрон- Античастка електрона з масою, що дорівнює масі електрона, але позитивним електричним зарядом.
Протон- стабільна позитивно заряджена елементарна частка з зарядом 1,61 · 10-19 Кл та масою 1,66 · 10-27 кг. Протон утворює ядро "легкого" ізотопу атома водню (проти). Число протонів у ядрі будь-якого елемента визначає заряд ядра та атомний номер цього елемента.
Радіоактивність- мимовільне перетворення (радіоактивний розпад) нестабільного нукліду на інший нуклід, що супроводжується випромінюванням іонізуючого випромінювання.
Радіоактивність- здатність деяких атомних ядер мимоволі перетворюватися на інші ядра, випускаючи у своїй різні частки.
Радіоактивний розпад- Мимовільне ядерне перетворення.
Реактор-розмножувач- швидкий реактор, в якому коефіцієнт конверсії перевищує 1 здійснюється розширене відтворення ядерного палива.
Лічильник Гейгера(Або лічильник Гейгера-Мюллера) - газонаповнений лічильник заряджених елементарних частинок, електричний сигнал з якого посилений за рахунок вторинної іонізації газового об'єму лічильника і не залежить від енергії, залишеної часткою в цьому обсязі.
Твел- Тепловиділяючий елемент. Головний конструкційний елемент активної зони гетерогенного реактора, у вигляді якого завантажується в нього паливо. У твэлах відбувається розподіл важких ядер U-235, Pu-239 або U-233, що супроводжується виділенням енергії і від них відбувається передача теплової енергії теплоносія. Твели складаються з паливного сердечника, оболонки та кінцевих деталей. Тип твела визначається типом та призначенням реактора, параметрами теплоносія. Твел повинен забезпечити надійне відведення тепла від палива до теплоносія.
Тіло робоче- середовище (теплоносій), що використовується для перетворення теплової енергії на механічну.
Темна матерія− невидима (не випромінююча і не поглинаюча) субстанція. Про її існування безперечно свідчать гравітаційні ефекти. Дані спостережень свідчать також, що ця темна речовина-енергія ділиться на дві частини:
- перша - так звана темна матерія (dark matter) із щільністю
W dm = 0.20–0.25 – невідомі, слабко взаємодіючі масивні частинки (не баріони). Це можуть бути, наприклад, стабільні нейтральні частинки з масами від 10 ГеВ/с2 до 10 ТеВ/с2, що передбачаються суперсиметричними моделями, зокрема гіпотетичні важкі нейтрино;
друга – так звана темна енергія (dark energy) із щільністю
W Λ = 0.70-0.75), яку інтерпретують як вакуум. Йдеться про особлива форма матерії − фізичний вакуум, тобто. найнижчий енергетичний стан фізичних полів, що пронизують простір.
Термоядерні реакції− реакції злиття (синтезу) легких ядер, що протікають при високих температурах. Ці реакції зазвичай йдуть з виділенням енергії, оскільки в утвореному результаті злиття більш важкому ядрі нуклони пов'язані сильніше, тобто. мають, у середньому, більшу енергію зв'язку, ніж у вихідних ядрах, що зливаються. Надмірна сумарна енергія зв'язку нуклонів при цьому звільняється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції. Назва "термоядерні реакції" відображає той факт, що ці реакції йдуть при високих температурах ( > 10 7 –10 8 К), оскільки злиття легкі ядра повинні зблизитися до відстаней, рівних радіусу дії ядерних сил тяжіння, тобто. до відстаней ≈10 -13 см.
Трансуранові елементи− хімічні елементи із зарядом (числом протонів) більшим, ніж у урану, тобто. Z> 92.
Ланцюгова реакція поділу- самопідтримується реакція поділу важких ядер, у якій безперервно відтворюються нейтрони, що ділять все нові ядра.
Ланцюгова реакція поділу- послідовність реакції розподілу ядер важких атомів при взаємодії їх з нейтронами або іншими елементарними частинками, в результаті яких утворюються легші ядра, нові нейтрони або інші елементарні частинки та виділяється ядерна енергія.
Ланцюгова ядерна реакція- послідовність ядерних реакцій, збуджуваних частинками (наприклад, нейтронами), що у кожному акті реакції. Залежно від середньої кількості реакцій, наступних однієї попередньої - меншого, рівного чи перевищує одиницю - реакція називається загасаючою, самоподдерживающейся чи наростаючою.
Ланцюгові ядерні реакції- ядерні реакції, що самопідтримуються, в які послідовно залучається ланцюжок ядер. Це відбувається тоді, коли один із продуктів ядерної реакції вступає в реакцію з іншим ядром, продукт другої реакції реагує з наступним ядром і т.д. Виникає ланцюжок наступних одна одною ядерних реакцій. Найбільш відомим прикладом такої реакції є ядерна реакція поділу, що викликається нейтроном
Екзотермічні реакції- Ядерні реакції, що протікають з виділенням енергії.
Елементарні частки- дрібні частки фізичної матерії. Уявлення про елементарні частинки відбивають той щабель у пізнанні будови матерії, яка досягнута сучасною наукою. Разом із античастинками відкрито близько 300 елементарних частинок. Термін "елементарні частинки" умовний, оскільки багато елементарних частинок мають складну внутрішню структуру.
Елементарні частки- Матеріальні об'єкти, які не можна розділити на складові частини. Відповідно до цього визначення елементарних частинок неможливо знайти віднесені молекули, атоми і атомні ядра, які піддаються поділу на складові – атом ділиться на ядро і орбітальні електрони, ядро – на нуклоны.
Енергетичний вихід ядерної реакції- Різниця енергій спокою ядер та частинок до реакції та після реакції.
Ендотермічні реакції- Ядерні реакції, що протікають з поглинанням енергії.
Енергія зв'язку атомного ядра(Е св) - характеризує інтенсивність взаємодії нуклонів в ядрі і дорівнює тій максимальній енергії, яку необхідно витратити, щоб розділити ядро на окремі нуклони, що не взаємодіють, без повідомлення їм кінетичної енергії.
Ефект Мессба уера - явище резонансного поглинання гамма-квантів атомними ядрами без втрати енергії віддачу імпульсу.
Ядерна (планетарна) модель атома- У центрі розташоване позитивне заряджене ядро (діаметр порядку 10 -15 м); навколо ядра, подібно до планет сонячної системи, рухаються електрони по кругових орбітах.
Ядерні моделі– спрощені теоретичні описи атомних ядер, засновані на поданні ядра у вигляді об'єкта із заздалегідь відомими характерними властивостями.
Ядерна реакція поділу- Реакція поділу атомних ядер важких елементів під впливом нейтронів.
Ядерна реакція- реакція перетворення атомних ядер в результаті взаємодії один з одним або елементарними частинками.
Ядерна енергія- Це енергія, що звільняється в результаті внутрішньої перебудови атомних ядер. Ядерну енергію можна отримати у ядерних реакціях чи радіоактивному розпаді ядер. Основні джерела ядерної енергії – реакції розподілу важких ядер та синтезу (з'єднання) легких ядер. Останній процес називають також термоядерними реакціями.
Ядерні сили- сили, що діють між нуклонами в атомних ядрах та визначають будову та властивості ядер. Вони короткодіючі, їхній радіус дії 10 -15 м.
Ядерний реактор- пристрій, у якому здійснюється керована ланцюгова реакція поділу ядер.
Ланцюгова реакція поділу, що самопідтримується, - ланцюгова реакція в середовищі, для якої коефіцієнт розмноження k >= 1.
Ядерна аварія- Ядерною аварією називається втрата управління ланцюговою реакцією в реакторі, або утворення критичної маси при перевантаженні, транспортуванні та зберіганні твелів. В результаті ядерної аварії через дебаланс тепла, що виділяється і відводиться, пошкоджуються твели з виходом назовні радіоактивних продуктів поділу. При цьому стає потенційно можливим небезпечне опромінення людей та зараження навколишньої місцевості. .
Ядерна безпека- загальний термін, що характеризує властивості ядерної установки при нормальній експлуатації та у разі аварії обмежувати радіаційний вплив на персонал, населення та навколишнє середовище допустимими межами.
Ядерний поділ- процес, що супроводжується розщепленням ядра важкого атома при взаємодії з нейтроном або іншою елементарною частинкою, в результаті якого утворюються легші ядра, нові нейтрони або інші елементарні частинки та виділяється енергія.
Ядерний матеріал- будь-який вихідний матеріал, спеціальний ядерний матеріал та іноді руди та рудні відходи.
Ядерне перетворення- Перетворення одного нукліду в інший.
Ядерний реактор- пристрій, у якому здійснюється контрольована ланцюгова ядерна реакція. Ядерні реактори класифікують за призначенням, енергії нейтронів, типу теплоносія та сповільнювача, структуру активної зони, конструкційного виконання та інших характерних ознак.
Ядерна реакція- Перетворення атомних ядер, викликане їх взаємодією з елементарними частинками, або один з одним і супроводжується зміною маси, заряду або енергетичного стану ядер.
Ядерне паливо- матеріал, що містить нукліди, що діляться, який будучи поміщеним в ядерний реактор, дозволяє здійснити ланцюгову ядерну реакцію. Відрізняється дуже високою енергоємністю (при повному розподілі 1 кг U-235 вивільняється енергія, що дорівнює Дж, у той час як при згорянні 1 кг органічного палива виділяється енергія порядку (3-5) Дж залежно від виду палива).
Ядерний паливний цикл- комплекс заходів для забезпечення функціонування ядерних реакторів, що здійснюються в системі підприємств, пов'язаних між собою потоком ядерного матеріалу та включають уранові рудники, заводи з переробки уранової руди, конверсії урану, збагачення та виготовлення палива, ядерні реактори, сховища відпрацьованого палива, заводи з переробки відпрацьованого палива та пов'язані з ними проміжні сховища та сховища для захоронення радіоактивних відходів
Ядерна установка- будь-яка установка, на якій утворюються, обробляються або перебувають в обігу радіоактивні або матеріали, що діляться в таких кількостях, при яких необхідно враховувати питання ядерної безпеки.
Ядерна енергія- Внутрішня енергія атомних ядер, що виділяється при ядерному розподілі або ядерних реакціях.
Ядерний енергетичний реактор- Ядерний реактор, головним призначенням якого є вироблення енергії.
Ядерний реактор- Ядерним реактором називається пристрій, призначений для організації керованої ланцюгової реакції розподілу, що самопідтримується - послідовності ядерних реакцій поділу, в яких і виділяються вільні нейтрони, необхідні для поділу нових ядер.
Ядерний реактор на швидких нейтронах- Реактори істотно різняться по спектру нейтронів - розподілу нейтронів по енергіям, а, отже, і по спектру поглинаються (викликають поділ ядер) нейтронів. Якщо активна зона не містить легких ядер, спеціально призначених для уповільнення в результаті пружного розсіювання, то практично все уповільнення обумовлено непружним розсіюванням нейтронів на важких та середніх ядрах. У цьому більшість поділів викликається нейтронами з енергіями близько десятків і сотень кеВ. Такі реактори називають реакторами на швидких нейтронах.
Ядерний реактор на теплових нейтронах- Реактор, активна зона якого містить таку кількість сповільнювача - матеріалу, призначеного для зниження енергії нейтронів без помітного їх поглинання, що більшість поділів викликається нейтронами з енергіями менше 1 еВ.
Ядерні сили- сили, що утримують нуклони (протони та нейтрони) в ядрі.
Ядерні сили є короткодіючими . Вони виявляються лише на дуже малих відстанях між нуклонами в ядрі порядку 10 -15 м. Довжина (1,5 - 2,2) · 10 -15 називається радіусом дії ядерних сил .
Ядерні сили виявляють зарядову незалежність , Т. е. тяжіння між двома нуклонами однаково незалежно від зарядового стану нуклонів - протонного або нейтронного.
Ядерні сили мають властивістю насичення , що виявляється у цьому, що нуклон у ядрі взаємодіє лише з обмеженим числом найближчих щодо нього сусідніх нуклонів. Практично повне насичення ядерних сил досягається у α-частинки, яка є дуже стійкою освітою.
Ядерні сили залежать від орієнтації спинів взаємодіючих нуклонів . Підтверджується це різним характером розсіювання нейтронів молекулами орто- та пароводню.
Ядерні сили не є центральними силами .
Вивчаючи будову речовини, фізики дізналися, з чого зроблені атоми, дісталися атомного ядра і розщепили його на протони та нейтрони. Всі ці кроки давалися досить легко - треба було лише розігнати частинки до потрібної енергії, зіткнути їх один з одним, і вони самі розвалювалися на складові.
А ось із протонами та нейтронами такий трюк вже не пройшов. Хоча вони і є складовими частинками, їх не вдається «розламати на частини» в жодному навіть найсильнішому зіткненні. Тому фізикам були потрібні десятиліття для того, щоб придумати різні способи заглянути всередину протона, побачити його пристрій і форму. В наші дні вивчення структури протона – одна з найактивніших областей фізики елементарних частинок.
Природа дає натяки
Історія вивчення структури протонів та нейтронів бере свій початок із 1930-х років. Коли на додаток до протонів були відкриті нейтрони (1932), то, вимірявши їхню масу, фізики з подивом виявили, що вона дуже близька до маси протона. Більше того, виявилося, що протони та нейтрони «відчують» ядерну взаємодію абсолютно однаковим чином. Настільки однаковим, що, з погляду ядерних сил, протон і нейтрон можна вважати хіба що двома проявами однієї й тієї частини - нуклону: протон - це електрично заряджений нуклон, а нейтрон - нейтральний нуклон. Поміняйте протони на нейтрони – і ядерні сили (майже) нічого не помітять.
Фізики цю властивість природи виражають як симетрію - ядерну взаємодію симетрично щодо заміни протонів на нейтрони, подібно до того як метелик симетричний щодо заміни лівого на праве. Ця симетрія, крім того що вона відіграла важливу роль у ядерній фізиці, була насправді першим натяком на те, що нуклони мають цікаву внутрішню будову. Щоправда, тоді, у 30-х роках, фізики цей натяк не усвідомили.
Розуміння прийшло пізніше. Почалося з того, що в 1940-50-ті роки в реакціях зіткнення протонів з ядрами різних елементів вчені з подивом виявляли нові частки. Чи не протони, не нейтрони, не відкриті на той час пі-мезони, які утримують нуклони в ядрах, а якісь зовсім нові частки. При всьому своєму розмаїтті ці нові частинки мали дві спільні властивості. По-перше, вони, як і нуклони, дуже охоче брали участь у ядерних взаємодіях - нині такі частки називають адронами. А по-друге, вони були винятково нестабільними. Найнестійкіші з них розпадалися на інші частинки всього за трильйонну частку наносекунди, не встигнувши пролетіти навіть на розмір атомного ядра!
Довгий час «зоопарк» адронів являв собою повну мішанину. Наприкінці 1950-х років фізики дізналися вже багато різних видів адронів, почали порівнювати їх один з одним і раптом побачили якусь загальну симетричність, навіть періодичність їх властивостей. Було висловлено здогад, що у всіх адронів (зокрема і нуклонів) сидять деякі прості об'єкти, які отримали назву «кварки». Комбінуючи кварки у різний спосіб, можна отримувати різні адрони, причому саме такого типу і з такими властивостями, які виявлялися в експерименті.
Що робить протон протоном?
Після того, як фізики відкрили кварковий пристрій адронів і дізналися, що кварки бувають декількох різних сортів, стало зрозуміло, що з кварків можна сконструювати багато різних частинок. Тож уже нікого не дивувало, коли наступні експерименти продовжували один за одним знаходити нові адрони. Але серед усіх адронів виявилося ціле сімейство частинок, що складаються, так само як і протон, тільки з двох u-кварків та одного d-Кварювання. Такі собі «побратими» протона. І ось тут фізиків чатував на сюрприз.
Давайте спочатку зробимо одне просте спостереження. Якщо у нас є кілька предметів, що складаються з однакових «цеглинок», то важчі предмети містять більше «цеглинок», а легші – менше. Це дуже природний принцип, який можна називати принципом комбінування або принципом надбудови, і він чудово виконується як у повсякденному житті, так і у фізиці. Він проявляється навіть у пристрої атомних ядер - адже важчі ядра просто складаються з більшої кількості протонів і нейтронів.
Однак на рівні кварків цей принцип зовсім не працює, і, слід зізнатися, фізики ще не до кінця розібралися чому. Виявляється, важкі побратими протона теж складаються з тих же кварків, що й протон, хоча вони в півтора, а то й удвічі важчі за протон. Вони відрізняються від протона (і різняться між собою) не складом,а взаємним розташуваннямкварків, тим, у якому стані щодо один одного ці кварки знаходяться. Достатньо змінити взаємне становище кварків - і ми з протона отримаємо іншу, помітно важчу частинку.
А що буде, якщо все-таки взяти та зібрати разом більше трьох кварків? Чи вийде нова важка частка? Дивно, але не вийде - кварки розіб'ються по троє і перетворяться на кілька розрізнених частинок. Чомусь природа «не любить» поєднувати багато кварків в одне ціле! Лише зовсім недавно, буквально в останні роки, почали з'являтися натяки на те, що деякі багатокваркові частки все ж таки існують, але це лише підкреслює, наскільки природа їх не любить.
З цієї комбінаторики випливає дуже важливий і глибокий висновок – маса адронів зовсім не складається з маси кварків. Але якщо масу адрону можна збільшити або зменшити простим перекомбінуванням цегли, що складають його, значить, зовсім не самі кварки відповідальні за масу адронів. І справді, у наступних експериментах вдалося дізнатися, що маса самих кварків становить лише близько двох відсотків від маси протона, а решта тяжкості виникає за рахунок силового поля (йому відповідають спеціальні частинки - глюони), що зв'язує кварки разом. Змінюючи взаємне розташування кварків, наприклад, відсуваючи їх подалі один від одного, ми тим самим змінюємо глюонну хмару, робимо її більш масивною, через що зростає маса адрону (рис. 1).
Що діється всередині протона, що швидко летить?
Все описане вище стосується нерухомого протона, мовою фізиків - це пристрій протона у системі спокою. Однак в експерименті структура протона була вперше виявлена в інших умовах – усередині швидко летитьпротону.
Наприкінці 1960-х років в експериментах зі зіткнення частинок на прискорювачах було помічено, що протони, що летять з навколосвітньою швидкістю, поводилися так, немов енергія всередині них не розподілена рівномірно, а сконцентрована в окремих компактних об'єктах. Ці згустки речовини усередині протонів знаменитий фізик Річард Фейнман запропонував називати партонами(від англійської part -частина).
У наступних експериментах було вивчено багато властивостей партонів - наприклад, їх електричний заряд, їх кількість і частка енергії протона, яку кожен із них несе. Виявляється, заряджені партони – це кварки, а нейтральні партони – це глюони. Так-так, ті самі глюони, які в системі спокою протона просто «прислужували» кваркам, притягуючи їх один до одного, тепер є самостійними партонами і поряд з кварками несуть «речовину» і енергію протона, що швидко летить. Досліди показали, що приблизно половина енергії запасена у кварках, а половина – у глюонах.
Партони найзручніше вивчати у зіткненні протонів з електронами. Справа в тому, що, на відміну від протона, електрон не бере участі в сильних ядерних взаємодіях і його зіткнення з протоном виглядає дуже просто: електрон на дуже короткий час випускає віртуальний фотон, який врізається в заряджений партон і породжує врешті-решт велику кількість частинок. рис. Можна сказати, що електрон є відмінним скальпелем для розтину протона і поділу його на окремі частини - правда, лише на дуже короткий час. Знаючи, як часто відбуваються такі процеси на прискорювачі, можна виміряти кількість партонів усередині протону та їх заряди.
Хто такі партони насправді?
І тут ми підходимо до ще одного разючого відкриття, яке зробили фізики, вивчаючи зіткнення елементарних частинок при високих енергіях.
У звичайних умовах питання про те, з чого складається той чи інший предмет, має універсальну відповідь для всіх систем відліку. Наприклад, молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню - і не важливо, дивимося ми на нерухому або рухому молекулу. Однак це правило – здавалося б, таке природне! - порушується, якщо йдеться про елементарні частинки, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. В одній системі відліку складна частка може складатися з одного набору субчасток, а в іншій системі відліку - з іншого. Виходить що склад - поняття відносне!
Як таке може бути? Ключовою тут є одна важлива властивість: кількість частинок у світі не фіксована - частки можуть народжуватися і зникати. Наприклад, якщо зіткнути разом два електрони з досить великою енергією, то до цих двох електронів може народитися або фотон, або електрон-позитронна пара, або ще якісь частинки. Все це дозволено квантовими законами, саме так і відбувається у реальних експериментах.
Але цей «закон незбереження» частинок працює при зіткненняхчастинок. А як виходить, що один і той же протон з різних точок зору виглядає з різного набору частинок? Справа в тому, що протон - це не просто три кварки, складені разом. Між кварками існує силове глюонне поле. Взагалі, силове поле (як, наприклад, гравітаційне чи електричне поле) - це якась матеріальна «сутність», яка пронизує простір і дозволяє часткам впливати один на одного. У квантовій теорії поле теж складається з частинок, щоправда з особливих – віртуальних. Кількість цих частинок не фіксовано, вони постійно «відгалужуються» від кварків і поглинаються іншими кварками.
Хто спочиваєпротон дійсно можна уявити собі як три кварки, між якими перескакують глюони. Але якщо поглянути на той самий протон з іншої системи відліку, наче з вікна «релятивістського поїзда», то ми побачимо зовсім іншу картину. Ті віртуальні глюони, які склеювали кварки разом, здадуться вже менш віртуальними, «справжнішими» частинками. Вони, звичайно, як і раніше народжуються і поглинаються кварками, але при цьому якийсь час живуть самі по собі, летять поруч із кварками, немов справжні частки. Те, що виглядає простим силовим полем в одній системі відліку, перетворюється на іншу систему на потік частинок! Зверніть увагу, сам протон ми при цьому не чіпаємо, а тільки дивимося на нього з іншої системи відліку.
Дальше більше. Чим ближче швидкість нашого «релятивістського поїзда» до швидкості світла, тим дивовижнішу картину всередині протона ми побачимо. У міру наближення до швидкості світла ми помітимо, що глюонів усередині протона стає дедалі більше. Більше того, вони іноді розщеплюються на кварк-антикваркові пари, які теж летять поруч і також вважаються партонами. В результаті ультрарелятивістський протон, тобто протон, що рухається щодо нас зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла, постає у вигляді взаємопроникних хмаринок кварків, антикварків і глюонів, які летять разом і ніби підтримують один одного (рис. 3).
Читач, знайомий із теорією відносності, може занепокоїтися. Вся фізика ґрунтується на тому принципі, що будь-який процес протікає однаково у всіх інерційних системах відліку. А тут виходить, що склад протона залежить від системи відліку, з якої ми його спостерігаємо?
Так, саме так, але це не порушує принцип відносності. Результати фізичних процесів - наприклад, які частки і скільки народжуються внаслідок зіткнення - справді виявляються інваріантними, хоча склад протона залежить від системи відліку.
Ця незвичайна на перший погляд, але ситуація, що задовольняє всім законам фізики, схематично проілюстрована на малюнку 4. Тут показано, як зіткнення двох протонів з великою енергією виглядає в різних системах відліку: в системі спокою одного протона, в системі центру мас, в системі спокою іншого протона . Взаємодія між протонами здійснюється через каскад глюонів, що розщеплюються, але тільки в одному випадку цей каскад вважається «начинкою» одного протона, в іншому випадку - частиною іншого протона, а в третьому - це просто якийсь об'єкт, яким обмінюються два протона. Цей каскад існує, він реальний, але якої частини процесу його треба відносити - залежить від системи відліку.
Тривимірний портрет протону
Усі результати, про які ми щойно розповіли, базувалися на експериментах, виконаних досить давно – у 60–70-х роках минулого століття. Здавалося б, відтоді все вже має бути вивченим і всі питання повинні знайти свої відповіді. Але ні - пристрій протона, як і раніше, залишається однією з найцікавіших тем у фізиці елементарних частинок. Більше того, в останні роки інтерес до неї знову зріс, тому що фізики зрозуміли, як отримати «тривимірний» портрет протона, що швидко рухається, який виявився набагато складнішим за портрет нерухомого протона.
Класичні експерименти щодо зіткнення протонів розповідають лише про кількість партонів та їх розподіл за енергією. У таких експериментах партони беруть участь як незалежні об'єкти, а отже, з них не можна дізнатися, як партони розташовані один щодо одного, як саме вони складаються в протон. Можна сказати, що довгий час фізикам був доступний лише «одномірний» портрет протона, що швидко летить.
Для того, щоб побудувати справжній, тривимірний, портрет протона і дізнатися про розподіл партонів у просторі, потрібні набагато тонші експерименти, ніж ті, які були можливі 40 років тому. Такі експерименти фізики навчилися ставити зовсім недавно, буквально останнім десятиліттям. Вони зрозуміли, що серед величезної кількості різних реакцій, що відбуваються під час зіткнення електрона з протоном, є одна особлива реакція. глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання, - яка і зможе розповісти про тривимірну структуру протона.
Взагалі, комптонівським розсіюванням, або ефектом Комптона називають пружне зіткнення фотона з якоюсь частинкою, наприклад з протоном. Виглядає воно так: прилітає фотон, поглинається протоном, який на короткий час переходить у збуджений стан, а потім повертається у вихідний стан, випускаючи фотон у якомусь напрямку.
Комптонівське розсіювання звичайних світлових фотонів не призводить до чогось цікавого - це просте відображення світла від протона. Для того, щоб «вступила в гру» внутрішня структура протона і «відчулися» розподіли кварків, треба використовувати фотони дуже великої енергії – в мільярди разів більше, ніж у звичайному світлі. А саме такі фотони - правда, віртуальні - легко породжує електрон, що налітає. Якщо тепер поєднати одне з одним, то і вийде глибоко-віртуальне комптонівське розсіювання (рис. 5).
Головна особливість цієї реакції у тому, що вона руйнує протон. Фотон, що налітає, не просто б'є по протону, а як би ретельно його обмацує і потім відлітає геть. Те, в який бік він відлітає і яку частину енергії у нього відбирає протон, залежить від влаштування протона, від взаємного розташування партонів усередині нього. Саме тому, вивчаючи цей процес, можна відновити тривимірне вигляд протона, як би «виліпити його скульптуру».
Щоправда, для фізика-експериментатора це дуже непросто. Потрібний процес відбувається досить рідко, і зареєструвати його важко. Перші експериментальні дані про цю реакцію було отримано лише у 2001 році на прискорювачі HERA у німецькому прискорювальному комплексі DESY у Гамбурзі; нова серія даних зараз обробляється експериментаторами. Втім, уже сьогодні, на підставі перших даних, теоретики малюють тривимірні розподіли кварків та глюонів у протоні. Фізична величина, яку фізики раніше будували лише припущення, нарешті стала «проступати» з експерименту.
Чи чекають на нас якісь несподівані відкриття в цій галузі? Цілком імовірно, що так. Як ілюстрацію скажемо, що в листопаді 2008 року з'явилася цікава теоретична стаття, в якій стверджується, що протон, що швидко летить, повинен мати вигляд не плоского диска, а двояковогнутої лінзи. Так виходить тому, що партони, що сидять у центральній області протона, сильніше стискаються в поздовжньому напрямку, ніж партони, що сидять на краях. Було б дуже цікаво перевірити ці теоретичні прогнози експериментально!
Чому все це цікаво фізикам?
Навіщо взагалі фізикам треба знати, як саме розподілено речовину всередині протонів та нейтронів?
По-перше, цього вимагає сама логіка розвитку фізики. У світі є багато разюче складних систем, з якими сучасна теоретична фізика поки що не може повністю впоратися. Адрони – одна з таких систем. Розбираючись з пристроєм адронів, ми відточуємо здібності теоретичної фізики, які цілком можуть виявитися універсальними і, можливо, допоможуть у чомусь зовсім іншому, наприклад, при вивченні надпровідників або інших матеріалів з незвичайними властивостями.
По-друге, тут є безпосередня користь для ядерної фізики. Незважаючи на майже вікову історію вивчення атомних ядер, теоретики досі не знають точний закон взаємодії протонів та нейтронів.
Їм доводиться цей закон частково вгадувати виходячи з експериментальних даних, частково конструювати на основі знань про структуру нуклонів. Ось і допоможуть нові дані про тривимірному пристрої нуклонів.
По-третє, кілька років тому фізики зуміли отримати ні багато ні мало новий агрегатний стан речовини – кварк-глюонну плазму. У такому стані кварки не сидять усередині окремих протонів та нейтронів, а вільно гуляють по всьому згустку ядерної речовини. Досягти його можна, наприклад, так: важкі ядра розганяються в прискорювачі до швидкості, дуже близької до швидкості світла, а потім зіштовхуються лоба в лоба. У цьому зіткненні на дуже короткий час виникає температура трильйони градусів, яка і розплавляє ядра в кварк-глюонну плазму. Отже, виявляється, що теоретичні розрахунки цього ядерного плавлення вимагають хорошого знання тривимірного пристрою нуклонів.
Нарешті ці дані дуже потрібні для астрофізики. Коли важкі зірки вибухають наприкінці свого життя, від них часто залишаються надзвичайно компактні об'єкти – нейтронні та, можливо, кваркові зірки. Серцевина цих зірок цілком складається з нейтронів, а може бути навіть із холодної кварк-глюонної плазми. Такі зірки вже давно виявлені, але що відбувається у них усередині – можна лише здогадуватись. Так що гарне розуміння кваркових розподілів може призвести до прогресу і в астрофізиці.