Вопрос № 59 Строение атомного ядра
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Строение атомного ядра в современной науке основано на применении ядерных сил, якобы удерживающих протоны в ядре (более полная и подробная информация о строении ядра в современной физике приведена внизу страницы). Как понять причину того, что одноименно заряженные протоны могут находиться в ядре, в непосредственной близости друг от друга?
Электроны могут находиться вокруг ядра не вращаясь, потому что положительно заряженное ядро является для них источником удерживающей силы. Но такой подход не может быть осуществлён для атомных ядер, так как внутренней силы, способной удерживать протоны в ядре, нет. Современные учёные для объяснения этого феномена прибегают к помощи, так называемых, ядерных сил. Общая теория взаимодействий даёт альтернативное объяснение возможности существования в ядрах вблизи друг от друга положительно заряженных протонов.
Рассмотрим последовательное сближение двух протонов и изменения в их бионном окружении. Бионное окружение протонов на значительном расстоянии их друг от друга практически не деформировано. Сближение за счет каких-либо сил приводит к изменению. Теперь уже бионное окружение частично деформировано. Такая деформация вызывает уменьшение скорости сближения (бионы, окружающие один протон, взаимодействуют с бионами из окружения второго протона). Но если запаса энергии у протонов достаточно, то происходит дальнейшее сближение и деформация бионного окружения до тех пор, пока станетневозможным расположение бионов, осуществляющее электрическое отталкивание.
Причина того, что протоны в ядре не отталкиваются состоит в том, что расстояние для осуществления отталкивания мало.
При таком расположении бионов, те из них, которые находятся между протонами, могут осуществлять только гравитационное взаимодействие (смотрите анимацию). Подробности на странице Гравитация — новая теория .
Если же сближение на этом не закончится, то протоны вытеснят последние бионы, находящиеся между ними, и провзаимодействуют уже непосредственно между собой, оттолкнувшись электрическим способом (или произойдет ядерная реакция). Таким образом, мы получаем полную картину, не прибегая к выдумыванию ядерных сил. Если же рассмотреть процесс приближения электрона к ядру, то при максимальном сближении произойдёт так называемый К-захват. Однако, если бы ядерные силы всё-таки существовали, то было бы возможно образование чисто протонных и чисто нейтронных ядер, чего на практике не наблюдается. Заметим, что те же рассуждения справедливы и для разноимённых зарядов. То есть, возможна такая ситуация, когда разноимённые заряды, даже находясь в непосредственной близости, перестают притягиваться электростатическими силами. Это заключение мы используем в дальнейшем.
Свойства ядерных сил, их описание и происхождение
Итак, по пунктам (цитата из (6*)).
Ядерные силы — это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания).
Ядерные силы – это не электрические силы, так как они действуют не только между протонами, но и между не имеющими зарядов нейтронами, и не гравитационные, которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов.
Область действия ядерных сил, ничтожно мала. Радиус их действия 10 -13 . При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.
Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивные. Их интенсивность значительно больше интенсивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удерживают внутри ядра, одноимённо заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромными электрическими силами.
Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывают, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра. А только с несколькими соседними.
Важнейшим свойством ядерных сил является их зарядовая независимость, то есть тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: между двумя протонами, между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами.
Что удерживает ядра атомов?
Теперь, когда нам известно, что ядро атома крохотное, у нас появляется очевидный вопрос: а почему оно такое маленькое? Атомы состоят из крохотных частиц, но по размеру они гораздо больше этих частиц. Мы уже разбирались, почему так происходит. Но при этом ядра не сильно отличаются по размеру от протонов и нейтронов, из которых они состоят. Есть ли тому причина, или это совпадение?
Мы уже знаем, что атомы удерживают электрические силы. Какие же силы удерживают ядро атома?
И тут мы вступаем на новую территорию, сильно отличающуюся от того, что мы изучали ранее – поскольку становится очевидным, что здесь работает сила, которую мы ещё не обсуждали.
Рис. 1: противодействующие силы в ядре атома – электрическое отталкивание протонов и остаточное сильное ядерное взаимодействие протонов и нейтронов
Остаточное сильное ядерное взаимодействие
Если бы в природе существовали только гравитационное и электрическое взаимодействие, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, ядра с множеством протонов просто разлетелись бы: электрические силы, расталкивающие протоны друг от друга, в миллион миллионов миллионов раз превосходили бы их гравитационное притяжение. Так что должна существовать другая сила, обеспечивающая притяжение, пересиливающее электрическое отталкивание. Эта сила – сильное ядерное взаимодействие – хотя в самом ядре можно наблюдать лишь тень её истинного величия. Изучив структуру самих протонов и нейтронов, мы поймём истинные возможности сильного ядерного взаимодействия. А в ядре мы встречаем лишь то, что часто называют «остаточным взаимодействием» – а я буду называть его «остаточное сильное ядерное взаимодействие». Иногда этот термин не используется – его просто называют сильным ядерным взаимодействием, но такое различие делать полезно.
Предупреждение: в итоге получается, что хотя в целом сильное ядерное взаимодействие – сила, действующая между частицами (кварками, глюонами, антикварками) внутри протона или нейтрона – достаточно проста, в каком-то смысле, остаточное сильное ядерное взаимодействие является сложным остатком различных взаимно уничтожающихся эффектов, в связи с чем не существует простой картинки, описывающей всю физику ядра. И это не удивительно, учитывая внутреннюю сложность строения протонов и нейтронов. Тут можно провести некую аналогию между атомами и молекулами.
В атоме крохотное ядро и ещё меньшие по размеру электроны расположены далеко друг от друга по отношению к их размерам, и электрические силы, удерживающие их в атоме, просты. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размером атомов, поэтому внутренняя сложность атомов начинает играть роль. Разнообразие и сложные наборы частично компенсирующих друг друга электрических сил, и процессы, в которых электроны способны передвигаться между атомами, делают историю молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Так же расстояние между протонами и нейтронами в ядре сравнимо с их размером – поэтому, как и с молекулами, силы, удерживающие атомные ядра, оказываются гораздо сложнее (в определённых смыслах) сил, удерживающих протоны или нейтроны.
После изучения структуры протонов и нейтронов, эта история станет (немного) проясняться. Базовые свойства ядерной физики вполне ясны, но эта тема остаётся чрезвычайно технической, и многие детали всё ещё исследуют. Я не смогу как следует описать её в этой статье, в частности потому, что я недостаточно хорошо разбираюсь в этой теме, чтобы удобно её упростить для вас.
Рис. 2: легчайшие из стабильных и почти стабильных ядер, вместе с нейтроном. Нейтрон и тритий показаны пунктиром, поскольку они в итоге распадаются. Голубым цветом указаны альтернативные названия.
Схема работы
Посмотрим, что можно узнать, исходя из простых рассуждений о работе этой силы. Одна из подсказок – все ядра, за исключением самого распространённого изотопа водорода (один протон) содержат нейтроны; то есть не бывает ядер с несколькими протонами и без нейтронов (рис. 2). Так что явно нейтроны играют важную роль в том, чтобы помогать протонам держаться вместе.
И наоборот, не бывает ядер, состоящих из одних нейтронов; в самых лёгких ядрах, например, в кислороде или кремнии, примерно столько же нейтронов, сколько протонов (рис. 2). В более крупных и массивных ядрах, например, золота и радия, чуть больше нейтронов, чем протонов (рис. 3). Из этого следуют две вещи:
- Чтобы протоны держались вместе, необходимы нейтроны, а чтобы нейтроны держались вместе, необходимы протоны.
- Если количество протонов и нейтронов становится очень большим, тогда электрическое отталкивание протонов нужно компенсировать добавлением нескольких дополнительных нейтронов.
Рис. 3
Размер ядра
Одна из главных целей этой статьи – объяснить, почему ядра атомов малы по сравнению с размером атома. Для этого начнём с простейшего ядра, содержащего протоны и нейтроны – со второго по распространённости изотопа водорода, состоящего из одного электрона (как и все изотопы водорода) и ядра, состоящего из протона и нейтрона. Этот изотоп часто называют дейтерием, а ядро дейтерия (см. рис. 2) иногда называют дейтроном. Как понять, что удерживает дейтрон? Мы можем наивно предположить, что эта система не отличается от атома водорода, также содержащего две частицы (протон и электрон) – см. рис. 4.
Как мы видели в предыдущей статье, то, что масса электронов мала по сравнению с протонами и нейтронами, гарантирует, что:
- Масса атома практически равна массе его ядра,
- Размер атома (размер электронного облака) обратно пропорционален массе электрона и обратно пропорционален силе электромагнитного взаимодействия; принцип неопределённости квантовой механики играет тут критическую роль.
Но мы уже догадались, что остаточное сильное взаимодействие сильнее электромагнетизма на таком же расстоянии – поскольку иначе оно не могло бы предотвратить электромагнитное отталкивание протонов, которые разорвали бы ядро. Так что эта дополнительная сила будет стягивать протоны и нейтроны вместе ещё плотнее. Поэтому неудивительно, что дейтрон и другие ядра не просто в тысячу, но в десятки тысяч раз меньше атомов! Повторю, это всё потому, что:
- Протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов,
- На таких расстояниях сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами ядра во много раз сильнее, чем соответствующие электромагнитные силы (включая электромагнитное отталкивание протонов в ядре).
Рис. 4
Малое расстояния действия этой силы
Отличается то, что это остаточное сильное ядерное взаимодействие очень важное и мощное для протонов и нейтронов, расположенных совсем недалеко друг от друга, но на достаточно больших расстояниях (на дистанции действия силы) она начинает очень быстро уменьшаться, гораздо быстрее электромагнитной. Дистанция – по какому-то совпадению – оказывается равной размеру относительно большого ядра, всего в несколько раз больше протона. Если свести протон и нейтрон вместе, на расстояние, сравнимое с этой дистанцией, они притянутся друг к другу и сформируют дейтрон. Если оставить их на большем расстоянии, они вообще почти не почувствуют притяжения. А если свести их очень близко вместе, так, чтобы они накладывались друг на друга, они начнут отталкиваться; чёрт, я предупреждал вас, что остаточное сильное ядерное взаимодействие очень сложное! Короче говоря:
didi79
Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, неделимые частицы, из которых состоит вся материя.
Понятие “элементарная частица” трансформировалась по мере развития знаний о строении материи. На рубеже 19 – 20 веков мельчайшей частицей вещества (т.е. элементарной частицей) считался атом (по-гречески atomos — ”неделимый”) .
В дальнейшем выявилась сложная структура атома, состоящего из ядра и электронов.
В свою очередь ядра, как оказалось, также являются сложными структурами и состоят из протонов и нейтронов (общее название нуклоны).
В настоящее время считается, что протоны и нейтроны также состоят из более элементарных частиц – кварков. В строгом смысле именно кварки в настоящее время должны считаться элементарными частицами. Однако в современной физике термин “элементарные частицы” употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы. В эту группу входят протон (p), нейтрон (n), фотон (g ), p — мезоны и другие частицы – всего более 350 частиц, в основном нестабильных.
Виды взаимодействия элементарных частиц
Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью, оно приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильное взаимодействие обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает устойчивость ядер. Потому сильное взаимодействие называют также ядерным.
Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электрическое поле. Очевидно, что это взаимодействие возможно только между электрически заряженными телами. Электромагнитное взаимодействие заметно слабее сильного (ядерного). Именно это взаимодействие обуславливает связь электронов с ядром в атоме и атомов в молекуле.
Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Примером процесса, обусловленного слабым взаимодействием, является бета-распад, а примером элементарной частицы, способной только к слабому взаимодействию, может служить нейтрино. Именно крайне малой интенсивностью слабого взаимодействия объясняется тот факт, что нейтрино свободно пронизывают толщу Земли и Солнца, не испытывая при этом поглощения.
Гравитационное взаимодействие является универсальным, оно наблюдается между любыми материальными телами, но в микромире оно не играет существенной роли. По сравнению с остальными тремя взаимодействиями оно пренебрежимо мало.
Почему атом остается в равновесии?
На расстояниях порядка м величина сильного взаимодействия между нуклонами (общее название протона и нейтрона), составляющими атомное ядро, настолько велика, что позволяет практически не принимать во внимание их электромагнитное взаимодействие (отталкивание).
Интенсивность различных взаимодействий по сравнению с сильным распределяется следующим образом:
Как электрически взаимодействуют друг с другом протоны в ядре
Базовая модель атома и атомная теория
Все вещества состоят из частиц, называемых атомами . Атомы связываются друг с другом, образуя элементы, и содержат только один вид атома.
Атомы различных элементов образуют соединения, молекулы и объекты.
Атом — это строительный блок материи, который нельзя разбить на части с помощью каких-либо химических средств.
Ядерные реакции могут изменить атомы.
Три части атома — это протоны (положительно заряженные), нейтроны (нейтральный заряд) и электроны (отрицательно заряженные).
- Протоны и нейтроны образуют атомное ядро .
- Электроны притягиваются к протонам в ядре, но движутся так быстро, что падают к нему (орбите), а не прилипают к протонам.
Идентичность атома определяется его числом протонов. Это также называется его атомным номером.
Части Атома
Атомы состоят из трех частей:
- Протоны : протоны являются основой атомов. В то время как атом может получать или терять нейтроны и электроны, его идентичность связана с числом протонов. Символом числа протонов является заглавная буква Z.
- Нейтроны: число нейтронов в атоме обозначается буквой N. Атомная масса атома является суммой его протонов и нейтронов или Z + N. Сильная ядерная сила связывает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро атом.
- Электроны: электроны намного меньше протонов или нейтронов и вращаются вокруг них.
Основные характеристики атомов:
- Атомы не могут быть разделены с помощью химических веществ. Они состоят из частей, которые включают протоны, нейтроны и электроны, но атом является основным химическим строительным материалом материи. Ядерные реакции, такие как радиоактивный распад и деление , могут разрушать атомы.
- Каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд.
- Каждый протон имеет положительный электрический заряд. Заряд протона и электрона равен по величине, но противоположен по знаку. Электроны и протоны электрически притягиваются друг к другу. Как заряды (протоны и протоны, электроны и электроны) отталкиваются друг от друга.
- Каждый нейтрон электрически нейтрален; иными словами, нейтроны не имеют заряда и не притягиваются электрически ни к электронам, ни к протонам.
- Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковые размеры и намного больше электронов. Масса протона по существу такая же, как у нейтрона.
- Масса протона в 1840 (!) раз больше массы электрона.
- Ядро атома содержит протоны и нейтроны. Ядро несет положительный электрический заряд.
Электроны движутся вне ядра; они организованы в оболочки, которые являются областью наиболее вероятного их местонахождения.
- Простые модели показывают, что электроны вращаются вокруг ядра по почти круговой орбите, подобно планетам, вращающимся вокруг звезды, но реальное поведение намного сложнее.
- Некоторые электронные оболочки напоминают сферы, но другие больше похожи на тупые колокольчики или другие формы.
- Технически, электрон может быть найден в любом месте в пределах атома, но проводит большую часть своего времени в области, описываемой орбиталью.
- Электроны также могут перемещаться между орбиталями.
Атомы очень маленькие. Средний размер атома составляет около 100 пикометров или одну десятитысячную часть метра.
- Почти вся масса атома находится в его ядре; почти весь объем атома занят электронами.
- Количество протонов (также известно как его атомный номер) определяет элемент.
- Изменение количества нейтронов приводит к образованию изотопов . Изменение числа электронов приводит к образованию ионов . Изотопы и ионы атома с постоянным числом протонов — это вариации одного элемента.
Частицы внутри атома связаны друг с другом мощными силами.
- В общем, электроны легче добавлять или удалять из атома, чем протон или нейтрон.
Химические реакции в основном включают атомы или группы атомов и взаимодействия между их электронами.