Многим со школы хорошо известно, что все вещества состоял из атомы. Атомы в свою очередь состоят из протонов и нейтронов образующих ядро атомы и электронов, расположенных на некотором расстоянии от ядра. Многие также слышали, что свет тоже состоит из частиц – фотонов. Однако на этом мир частиц не ограничивается. На сегодняшний день известно более 400 различных элементарных частиц. Попробуем понять, чем элементарные частицы отличаются друг от друга.
Существует множество параметров, по которым можно отличить элементарные частицы друг от друга:
- Масса.
- Электрический заряд.
- Время жизни. Почти все элементарные частицы имеют конечное время жизни по истечении которого они распадаются.
- Спин. Его можно, весьма приближенно считать как вращательный момент.
Еще несколько параметров, или как их принято называть в науке квантовых чисел. Эти параметры не всегда имеют понятный физический смысл, но они нужны для того, чтобы отличать одни частицы от других. Все эти дополнительные параметры введены как некоторые величины, сохраняющиеся во взаимодействии.
Массой обладают почти все частицы, кроме фотоны и нейтрино (по последним данным нейтрино обладают массой, но столь малой, что часто ее считают нулем). Без массовые частицы могут существуют только в движении. Масса у всех частиц различна. Минимальной массой, не считая нейтрино, обладает электрон. Частицы, которые называются мезонами обладают массой в 300-400 раз большей массы электрона, протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее электрона. Сейчас уже открыты частицы, которые почти в 100 раз тяжелее протона. Масса,(или ее энергетический эквивалент по формуле Эйнштейна:
сохраняется во всех взаимодействиях элементарных частиц.
Электрическим зарядом обладают не все частицы, а значит что не все частицы способны участвовать в электромагнитном взаимодействии. У всех свободно существующих частиц электрический заряд кратен заряду электрона. Кроме свободно существующих частиц существуют также частицы, находящие только в связанном состоянии, о них мы скажем чуть позже.
Спин, как и другие квантовые числа у различных частиц различны и характеризуют их уникальность. Некоторые квантовые числа сохраняются в одних взаимодействиях, некоторые в других. Все эти квантовые числа определяют то, какие частицы взаимодействуют с какими и как.
Время жизни также очень важная характеристика частицы и ее мы рассмотрим наиболее подробно. Начнем с замечания. Как мы уже сказали в начале статьи – все что нас окружает состоит из атомов (электронов, протонов и нейтронов) и света (фотонов). А где же тогда еще сотни различных видов элементарных частиц. Ответ прост – всюду вокруг нас, но мы из не замечаем по двум причинам.
Первая из них – почти все остальные частицы живут очень мало, примерно 10 в минус 10 степени секунд и меньше, и потому не образовывают таких структур как атомы, кристаллические решетки и т.п. Вторая причина касается нейтрино, эти частицы хоть и не распадаются, но они подвержены только слабому и гравитационному взаимодействию. Это значит, что эти частицы взаимодействуют на столько незначительно, что обнаружить из почти невозможно.
Представим наглядно в чем выражается то, на сколько частица хорошо взаимодействуем. Например поток электронов можно остановить довольно тонким листом стали, порядка нескольких миллиметров. Это произойдет потому, что электроны сразу начнут взаимодействовать с частицами листа стали, будут резко менять свой направления, излучать фотоны, и таким образом довольно быстро потеряют энергию. С потоком нейтрино все не так, они почти без взаимодействий могут пройти насквозь Земного Шара. И потому обнаружить их очень тяжело.
Итак, большинство частиц живут очень короткое время, по истечении которого она распадаются. Распады частиц- наиболее часто встречающиеся реакции. В результате распада одна частица распадается на несколько других меньшей массы, а те в свою очередь распадаются дальше. Все распады подчиняются определенным правилам – законам сохранения. Так, например, в результате распада должен сохраняться электрический заряд, масса, спин и еще ряд квантовых чисел. Некоторые квантовые числа в ходе распада могут меняться, но тоже подчиняясь определенным правилам. Именно правила распада говорят нам о том, что электрон и протон это стабильные частицы. Они уже не могут распадаются подчиняясь правилам распада, и потому именно ими заканчиваются цепочки распада.
Здесь хочется сказать несколько слов о нейтроне. Свободный нейтрон тоже распадается, на протон и электрон примерно за 15 минут. Однако когда нейтрон находится в атомном ядре это не происходит. Этот факт можно объяснить различными способами. Например так, когда в ядре атома появляется электрон и лишний протон от распавшегося нейтрона, то тут же происходит обратная реакция – один из протонов поглощает электрон и превращается в нейтрон. Такая картина называется динамическим равновесием. Она наблюдалась в вселенной на ранней стадии ее развития вскоре после большого взрыва.
Кроме реакций распада есть еще реакции рассеяния – когда две или более частиц вступают во взаимодействие одновременно, и в результате получается одна или несколько других частиц. Также есть реакции поглощение, когда из двух или более частиц получается одна. Все реакции происходят в результате сильного слабого или электромагнитного взаимодействия. Реакции идущие за счет сильного взаимодействия идут быстрее всего, время такой реакции может достигать 10 в минус 20 секунды. Скорость реакций идущих за счет электромагнитного взаимодействия ниже, тут время может быть порядка 10 в минус 8 секунды. Для реакций слабого взаимодействия время может достигать десятков секунд а иногда и годы.
В завершении рассказа про частицы расскажем про кварки. Кварки – это элементарные частицы, имеющие электрический заряд кратный трети заряда электрона и которые не могут существовать в свободном состоянии. Их Взаимодействие устроено так, что они могут жить только в составе чего либо. Например комбинация из трех кварков определенного типа образуют протон. Другая комбинация дает нейтрон. Всего известно 6 кварков. Их различные комбинации дают нам разные частицы, и хотя далеко не все комбинации кварков разрешены физическими законами, частиц, составленных из кварков довольно много.
Здесь может возникнуть вопрос, как можно протон называть элементарным если он состоит из кварков. Очень просто – протон элементарен, так как его невозможно расщепить на составные части – кварки. Все частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии состоят из кварков, и при этом являются элементарными.
Понимание взаимодействий элементарных частиц очень важно для понимания устройства вселенной. Все что происходит с макро телами есть результат взаимодействия частиц. Именно взаимодействием частиц описываются рост деревьев на земле, реакции в недрах звезд, излучение нейтронных звезд и многое другое.
| Вероятности и квантовая механика | > |
Размеры и массы атомов малы. Радиус атомов составляет 10 -10 м, а радиус ядра – 10 -15 м. Масса атома определяется делением массы одного моль атомов элемента на число атомов в 1 моль (N A = 6,02·10 23 моль -1). Масса атомов изменяется в пределах 10 -27 ~ 10 -25 кг. Обычно массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За а.е.м. принята 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С.
Основными характеристиками атома являются заряд его ядра (Z) и массовое число (А). Число электронов в атоме равно заряду его ядра. Свойства атомов определяются зарядом их ядер, числом электронов и их состоянием в атоме.
Основные свойства и строение ядра (теория состава атомных ядер)
1. Ядра атомов всех элементов (за исключением водорода) состоят из протонов и нейтронов.
2.Число протонов в ядре определяет значение его положительного заряда (Z). Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева.
3. Суммарное число протонов и нейтронов - значение его массы, так как масса атома в основном сосредоточена в ядре (99, 97% массы атома). Ядерные частицы - протоны и нейтроны - объединяются под общим названием нуклоны (от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Общее число нуклонов соответствует - массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А.
Ядра с одинаковыми Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z , называются изобарами . Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов
4. Число нейтронов в ядре N может быть найдено по разности между массовым числом (А ) и порядковым номером (Z ):
5. Размер ядра характеризуется радиусом ядра , имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра.
Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.
Протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с порядковым номером и атомной массой.
Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.
При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W св- величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная
называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.
Удельной энергией связи ядра w
свназывается энергия связи, приходящаяся на один нуклон: w
св= 
. Величина w
свсоставляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.
Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров. (А = const).
Ядерные силы
1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы , не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).
2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 мназывается радиусом действия ядерных сил .
3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость
: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов - протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах
. Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия 
тяжелого водорода трития - .
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел (А). Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.
Радиоактивность, g -излучение, a и b - распад
1. Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер или жесткого рентгеновского излучения. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.
2. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения - жесткого, коротковолнового электроволнового излучения. Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским ; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона.
3. Альфа-распадом
называется испускание ядрами некоторых химических элементов a - частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А
>200 и зарядами ядер Z
>82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов, т.е. образуется атом элемента, смещенного в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеева (ПСЭ) на две клеточки влево от исходного радиоактивного элемента с массовым числом меньшим не 4 единицы
(правило Содди – Фаянса): 
4. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (b-) и позитронный (b+) распады, а также электронный захват .
b- распад происходит преимущественно у сравнительно богатых нейтронами ядер. При этом нейтрон ядра распадается на протон, электрон и антинейтрино () с нулевым зарядом и массой.
При b- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд увеличивается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку вправо от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):
b+- распад происходит преимущественно у относительно богатых протонами ядер. При этом протон ядра распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино ().
.
При b+- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд уменьшается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку влево от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):
5. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b±-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.
6. b--распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности.
7. g- излучение: при возбуждении ядро атома испускает электромагнитное излучение с малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой жесткостью и проникающей способностью, чем рентгеновское излучение. В результате энергия ядра уменьшается, а массовое число и заряд ядра остаются не низменными. Поэтому превращение химического элемента в другой не наблюдается, а ядро атома переходит в менее возбужденное состояние.
Как только случается встретиться с неизвестным предметом, так обязательно возникает меркантильно-житейский вопрос - а сколько это весит. А вот если это неизвестное - элементарная частица, что тогда? А ничего, вопрос остается прежним: какая же масса этой частицы. Если бы кто-то занялся подсчетом затрат, понесенных человечеством для удовлетворения своего любопытства на исследования, точнее, измерения, массы элементарных частиц, то мы бы узнали, что, например, масса нейтрона в килограммах с умопомрачительным количеством нулей после запятой, обошлось человечеству дороже, чем самое дорогое строительство с таким же количеством нулей до запятой.
А начиналось все очень буднично: в руководимой Дж. Дж.Томсоном лаборатории в 1897 г. проводились исследования катодных лучей. В результате была определена универсальная константа для Вселенной - величина отношения массы электрона к его заряду. До определения массы электрона осталось совсем немного - определить его заряд. Через 12 лет сумел это сделать. Он проводил эксперименты с падающими в электрическом поле капельками масла, и ему удалось не только уравновесить их вес величиной поля, но и провести необходимые и чрезвычайно тонкие измерения. Их результат - численное значение массы электрона:
me = 9,10938215(15) * 10-31кг.
К этому времени относятся и исследования структуры где первопроходцем был Эрнест Резерфорд. Именно он, наблюдая за рассеянием заряженных частиц, предложил модель атома с внешней электронной оболочкой и положительным ядром. Частица, которой в была предложена роль ядра простейшего атома, получалась при бомбардировке азота Это была первая ядерная реакция, полученная в лаборатории - в ее результате из азота получался кислород и ядра будущих названных протонами. Однако, альфа-лучи состоят из сложных частиц: кроме двух протонов они содержат еще два нейтрона. Масса нейтрона почти равна и общая масса альфа-частицы получается вполне солидной для того, чтоб разрушить встречное ядро и отколоть от него «кусочек», что и случилось.
Поток положительных протонов отклонялся электрическим полем, компенсируя его отклонение, вызываемое В этих экспериментах определить массу протона уже не составляло труда. Но самым интересным был вопрос о том, какое соотношение имеют масса протона и электрона. Загадка была тут же решена: масса протона превышает массу электрона чуть больше, чем 1836 раз.
Итак, первоначально, модель атома предполагалась, по Резерфорду, как электронно-протонный комплект с одинаковым числом протонов и электронов. Однако совсем скоро оказалось, что первичная ядерная модель не полностью описывает все наблюдаемые эффекты по взаимодействиям элементарных частиц. Только в 1932 году подтвердил гипотезу о дополнительных частицах в составе ядра. Их назвали нейтронами, нейтральными протонами, т.к. они не имели заряда. Именно это обстоятельство обуславливает их большую проникающую способность - они не расходуют свою энергию на ионизацию встречных атомов. Масса нейтрона совсем незначительно превышает массу протона - всего примерно на 2,6 электронных массы больше.
Химические свойства веществ и соединений, которые образуются данным элементом, определяются числом протонов в ядре атома. Со временем подтвердилось участие протона в сильных и других фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном, гравитационном и слабом. При этом, несмотря на то, что заряд нейтрона отсутствует, при сильных взаимодействиях протон и нейтрон рассматривают как элементарную частицу нуклон в различных квантовых состояниях. Отчасти сходство поведения этих частиц объясняется и тем, что масса нейтрона очень мало отличается от массы протона. Стабильность протонов позволяет использовать их, предварительно ускорив до высоких скоростей, в качестве бомбардирующих частиц для осуществления ядерных реакций.
Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.
Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.
Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются: 
Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).
Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.
Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.
Протоны и нейтроны
Все
окружающие нас предметы состоят из молекул, которые, в свою очередь,
образуются из атомов, то есть мельчайших частиц химических элементов.
Несмотря на исключительно малые размеры, атомы представляют собой
весьма сложные образования, включающие центральное тяжелое ядро и
легкую оболочку из электронов, число которых обычно равно порядковому
номеру элемента в менделеевской периодической системе. В ядре
сосредоточена почти вся масса атома. Оно также имеет очень сложное
строение. Основными «кирпичиками», из которых построены ядра, являются
протоны и нейтроны.
Протон - это ядро атома водорода, самого легкого химического
элемента, занимающего в таблице Д. И. Менделеева первое место и в
соответствии с этим имеющего в электронной оболочке всего лишь один
электрон. Если ионизовать атом водорода, то есть удалить его
единственный электрон, то останется ядро, которое из-за отсутствия
оболочки можно назвать «голым» ядром и которое как раз и будет протоном
(от греческого слова «протос» - первый).
Протон - положительно заряженная частица, причем заряд его по
величине в точности равен заряду электрона. Масса протона выражается
цифрой в 1,6-10 -24 грамма.
Это значит, что масса тысячи миллионов протонов в 10 тысяч раз меньше
одной стомиллионной доли миллиграмма. И все же эта «элементарная»
частица относится к разряду «тяжелых», ибо масса ее в 1836,6 раза
больше массы электрона.
Очень невелики и размеры протона: его диаметр в 100 тысяч раз меньше
диаметра атома, равного примерно одной стомиллионной сантиметра.
Вследствие этого плотность вещества протона, несмотря на его ничтожно
малую массу, огромна. Если бы кубик с ребром в 1 миллиметр удалось
наполнить этими частицами так, чтобы они целиком заняли весь объем,
касаясь друг друга, то такой кубик весил бы 120 тысяч тонн! Конечно, в
действительности осуществить подобный эксперимент нельзя. Протоны,
будучи одноименно заряженными частицами, отталкиваются друг от друга, и
нужны колоссальные силы, чтобы сблизить их. Однако есть звезды, на
которых существуют условия, благоприятные для сравнительно близкого
подхода протонов друг к другу. Эти звезды (например, звезда ванн -
Маанена в созвездии Рыб) отличаются чрезвычайно высокой плотностью
вещества, хотя она, разумеется, в миллионы раз меньше, чем в
рассмотренном нами случае кубика, состоящего из одних протонов.
Тот факт, что в состав атомных ядер входят протоны, был доказан в
результате опытов, проведенных в 1919 году английским физиком
Резерфордом. В этих опытах он использовал поток быстрых альфа - частиц
(то есть ядер атомов гелия), образующихся в процессе радиоактивного
распада радия С. При бомбардировке альфа - частицами ядер азота
обнаружилось, что последние испускали какие-то быстрые частицы с
одновременным вылетом в противоположном направлении медленных тяжелых
частиц. При изучении этого явления в камере Вильсона было установлено,
что быстрые частицы представляют собой протоны, а медленные - ядра
кислорода. Выяснилось, что ядро азота, захватывая одну альфа - частицу,
преобразуется в ядро кислорода с испусканием одного протона.
Бомбардировка альфа - частицами ядер атомов других элементов
подтвердила наличие протонов и в этих ядрах.
Однако ядра (за исключением ядра водорода) не могут состоять
только из одних протонов. Действительно, ядро атома гелия, занимающего
второе место в таблице Д. И. Менделеева, имеет заряд, равный заряду
двух протонов, а его масса больше массы протона в четыре раза. Точно
так же заряд ядра кислорода равен восьми зарядам протона, а масса этого
ядра в шестнадцать раз больше массы протона. Объяснение такого
расхождения было найдено после открытия новой «элементарной» частицы -
так называемого нейтрона.
В 1930 году ученые установили, что при бомбардировке
альфа-частицами некоторых элементов (бериллия, бора и других)
появляется излучение из незаряженных частиц, способное проникать через
слой свинца сравнительно большей толщины (до 5 сантиметров). В 1931
году французские физики Ирэн и Фредерик Жолио - Кюри обнаружили, что
если на пути этого излучения поместить вещество, молекулы которого
содержат большое число водородных атомов (например, парафин), то из
него начинают вылетать протоны.
Можно было бы предположить, что вновь открытое излучение состоит
из фотонов. Однако для того, чтобы иметь возможность выбивать из
парафина протоны, эти фотоны должны были бы обладать энергией около 50
миллионов электрон вольт. В последнем случае они проникали бы через
значительно большие толщи свинца, чем наблюдалось на опыте (для
прохождения фотона через 5 сантиметров свинца нужна энергия всего лишь
в 5 миллионов электрон - вольт). Возникшее противоречие было решено в
результате работ английского ученого Чадвика. Он показал, что
вылетающие из парафина протоны, а также ядра, испускаемые под
воздействием неизвестного излучения другими атомами, движутся так,
будто они выбиты не фотоном, а тяжелой частицей, масса которой
приблизительно равна массе протона.
Таким образом, усилиями ряда физиков было установлено существование
незаряженной тяжелой частицы - нейтрона.
Масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, но в отличие от
протона (и электрона) его заряд равен нулю. Именно поэтому нейтроны
обладают способностью проникать через толстые слои свинца.
Незаряженная
частица может попасть внутрь атома, не испытывая ни отталкивания, ни
притяжения со стороны заряженных частиц (электронов и ядра) и не тратя
своей энергии на преодоление действия электрических сил, на ионизацию
атомов. Отсюда и путь нейтрона, в каком - либо веществе при прочих
равных условиях длиннее, чем, например, протона. Вследствие
неспособности нейтрона производить ионизацию его очень трудно заметить,
что явилось причиной сравнительно позднего обнаружения этой частицы.
Открытие нейтрона позволило понять, почему вес атомных ядер
превышает вес содержащихся в них протонов. Советские ученые Д. Д.
Иваненко и Е. Д. Гапон выдвинули идею о протоно - нейтронном строении
ядер, которая ныне является общепринятой. Согласно этой точке зрения, в
ядре гелия находятся, кроме двух протонов, еще два нейтрона, и поэтому
его заряд равен двум, а масса в четыре раза больше массы протона (или
почти равной ей массы нейтрона). Точно так же и в других ядрах, помимо
протонов, присутствуют нейтроны. При ядерных расщеплениях, вызываемых,
например, попаданием в ядро быстрой альфа-частицы, может происходить
испускание нейтронов. Этот процесс как раз и послужил первым указанием
на существование последних.
Не имеющий заряда нейтрон легко может проникать не только внутрь
атома, но даже и внутрь ядра. Попадание нейтрона в тяжелое ядро
приводит в ряде случаев к разрушению последнего, в результате чего
образуются более легкие ядра и выделяется весьма значительное
количество внутриядерной энергии. Свойство нейтронов производить
ядерные расщепления используется для получения атомной (правильнее было
бы сказать - ядерной) энергии.
Большая проникающая способность нейтронов, наряду со способностью
разрушать ядра, обусловливает их опасное действие на живые существа.
Достаточно мощный поток нейтронов, попав во внутренние части организма,
выбивает из ядер быстрые протоны и другие заряженные частицы, которые,
ионизуя встречающиеся на их пути атомы сложных органических молекул,
способствуют разложению последних и тем самым нарушению
жизнедеятельности растения или животного. Однако разрушительные
свойства нейтронов можно использовать для блага людей. Ведь именно с
помощью этих частиц ученые открыли прежде недоступные природные
кладовые внутриядерной энергии: Разбивая ядра, нейтроны высвобождают
эту энергию, которую у нас в Советском Союзе уже применяют в мирных
целях. Кроме того, некоторые химические элементы после бомбардировки
нейтронами превращаются в искусственные радиоактивные вещества,
находящие все более широкое распространение в медицине, при изучении
жизнедеятельности организмов методом меченых атомов, в технике и т. п.
В настоящее время существует много способов получения нейтронов,
необходимых для проведения различных исследований в области ядерной
физики и для ряда практических применений. Самым
старым из этих способов является изготовление так называемого радий -
бериллиевого источника. Стеклянный или металлический сосудик заполняют
порошком бериллия в смеси с какой-либо солью радия (например, бромистым
радием). При радиоактивном распаде из ядер радия вылетают
альфа-частицы, которые, взаимодействуя с ядрами бериллия, выбивают из
них нейтроны.
Последние благодаря большой проникающей способности свободно проходят
через стенки сосуда.
После изобретения специальных устройств - ускорителей
(циклотронов, фазотронов, синхрофазотронов и других), сообщающих
заряженным частицам большие энергии, появилась возможность получать
нейтроны искусственным путем. Для этого пучок ускоренных в циклотроне
или другой подобной машине заряженных тяжелых частиц, скажем, дейтронов
(ядер тяжелого водорода), направляют на мишень, сделанную из
определенного вещества (например, из лития). В результате из ядер
атомов мишени выбиваются нейтроны. Меняя энергию бомбардирующих мишень
«снарядов», можно получать нейтроны различной энергии.
Еще одним мощным источником тяжелых незаряженных частиц являются
ядерные реакторы (котлы), в которых осуществляются цепные реакции
деления тяжелых ядер. При этом образуется большое число нейтронов,
выходящих из котла наружу.
Нейтроны, как и другие «элементарные» частицы (электроны,
протоны), обладают волновыми свойствами. Пучок нейтронов, подобно свету
(потоку фотонов) 3, испытывает отражение, дифракцию, поляризуется и т.
п. Поэтому тяжелые незаряженные частицы можно использовать для изучения
строения кристаллов (путем их просвечивания нейтронным пучком) так же,
как используются рентгеновские лучи. Некоторую трудность представляет
регистрация нейтронов, ибо они не производят ионизации и потому нельзя
заметить их прохождения через камеру Вильсона, счетчик, ионизационную
камеру я другие приборы, применяющиеся обычно для обнаружения и счета
заряженных частиц. Не оставляют следов нейтроны и в фотоэмульсиях.
Однако свойство нейтронов разрушать ядра, вызывать ядерные реакции дает
нам в руки способ для регистрации этих частиц. В обычный счетчик или
ионизационную камеру добавляют газ, содержащий ядра бора. Нейтроны
расщепляют эти ядра, при этом вылетают альфа-частицы, создающие разряды
в счетчике или ионизационный ток в камере, что позволяет фиксировать
поток нейтронов. Можно воспользоваться для обнаружения нейтронов
фотоэмульсиями, к которым подмешаны соли лития или бара. При попадании
нейтрона в ядро атома какого - либо из этих элементов происходит
расщепление ядра с вылетом быстрой заряженной частицы, след которой
виден в фотоэмульсии.
Несмотря на то, что между протонами и нейтронами имеется
существенное различие, заключающееся в отсутствии заряда у последних, в
других отношениях они очень похожи друг на друга. Массы этих частиц
почти в точности равны, а их поведение внутри ядра (величина и характер
ядерных сил, действующих между протонами, между нейтронами и между теми
и другими) также примерно одинаково. Дело в том, что протоны, как
одноименно заряженные частицы, должны отталкиваться в ядре друг от
друга. Поскольку все же ядра существуют в виде устойчивых образований,
очевидно, что протоны удерживаются в них какими-то силами, превышающими
электростатические силы отталкивания. Оказалось, что эти специфические
ядерные силы действуют не только между протонами и между нейтронами, но
и связывают друг с другом частицы обоих этих видов. Это значит, что
протоны и нейтроны ядра определенным образом взаимодействуют друг с
другом (хотя физическая природа такого взаимодействия еще далеко не
выяснена).
Учеными было также обнаружено, что обе частицы могут превращаться друг
в друга. Так, в ядре происходит превращение нейтрона в протон с
испусканием отрицательно заряженного электрона и еще одной незаряженной
легкой частицы -нейтрино (масса нейтрино меньше 1:400 массы электрона).
Имеет место и другой процесс: протон в ядре переходит в нейтрон с
вылетом положительно заряженного электрона (позитрона) и нейтрино. Все
эти явления, наблюдаемые при распаде некоторых радиоактивных ядер,
получили одно общее название бета - распада.
С точки зрения теории бета - распада, нейтрон и протон ничем не
различаются: и тот и другой хорошо превращаются друг в друга. По этой
причине обе частицы нередко называют просто нуклонами. Следует, правда,
подчеркнуть, что если в ядре все нуклоны ведут себя по отношению к
бета- распаду одинаково, то в свободном состоянии, вне ядра, протоны и
нейтроны проявляют различные свойства. Протон сам по себе - устойчивая,
или, как говорят иначе, стабильная частица, в то время как свободный
нейтрон самопроизвольно распадается с периодом полураспада примерно в
20 минут. При этом он превращается в протон и испускает, как и при
распаде внутри ядра, электрон и нейтрино.
Различие между протоном и нейтроном в свободном состоянии
обусловлено рядом причин. Одной из них является то, что для превращения
протона в нейтрон нужно затратить значительную энергию (во всяком
случае большую, чем 1,9 миллиона электрон - вольт). Поскольку свободному
протону неоткуда позаимствовать эту энергию, он и представляет собой
стабильную частицу. Что же касается нейтрона, то он обладает большей
массой, чем протон, и, следовательно, большим запасом энергии. При
превращении нейтрона в протон выделяется приблизительно 800 тысяч
электронвольт энергии. Поэтому свободные нейтроны отличаются свойством
радиоактивности.
Протоны, нейтроны, нейтрино, так же как фотоны и электроны,
встречаются в космических лучах. В частности, протоны составляют так
называемую первичную компоненту космического излучения, то есть
приходят на Землю из межзвездного пространства. Разумеется, нейтроны,
которые в свободном состоянии превращаются в протоны, не могут
присутствовать в первичном излучении. Однако они образуются в атмосфере
при столкновении первичных протонов (и более тяжелых ядер) с ядрами
атомов азота, кислорода и других газов воздушной оболочки нашей
планеты. Протоны космических лучей обладают колоссальной энергией и
поэтому могут, несмотря на наличие положительного заряда, легко
проникать в ядра атомов. При столкновении нуклонов, обладающих такой
гигантской энергией, происходят процессы, которые не наблюдаются при
взаимодействии нуклонов меньшей энергии. Например, при таких
столкновениях происходит рождение новых частиц - мезонов различных
масс.
Описанные выше факты взаимодействия нуклонов в ядре совсем не
означают, будто нейтрон состоит из протона и электрона или, наоборот,
протон содержит в себе нейтрон и позитрон. Суть бета - распада
заключается именно в том, что нейтрон превращается в три другие частицы
(протон, электрон, нейтрино) или протон превращается в нейтрон,
позитрон и нейтрино. Эти процессы происходят при строгом соблюдении
законов сохранения энергии, массы, количества движения, заряда и т. п.
и убедительно свидетельствуют об изменчивости «элементарных» частиц и
наличии глубокой связи между ними.
