Основные характеристики протона, нейтрона и электрона. Протоны и нейтроны - физика в школе

Cтраница 1

Заряд нейтрона равен нулю. Следовательно, нейтроны не играют роли в величине заряда ядра атома. Этой же величине равен и порядковый номер хрома.  

Заряд протона qp e Заряд нейтрона равен нулю.  

Легко увидеть, что при этом заряд нейтрона равен нулю, а протона 1, как и полагается. Получаются все барионы, входящие в два семейства - восьмерку и десятку. Мезоны состоят из кварка и антикварка. Чертой обозначаются антикварки; их электрический заряд отличается знаком от заряда соответствующего кварка. В пи-мезон странный кварк не входит, пи-мезоны, как мы уже говорили, - частицы со странностью и спином, равными нулю.  

Так как заряд протона равен заряду электрона и заряд нейтрона равен пулю, то если выключить сильный взаимодействия, взаимодействие протона с электромагнитным полем А будет обычным взаимодействием дираковской частицы - Yp / V У нейтрона же электромагнитное взаимодействие отсутствовало бы.  

Обозначения: 67 - разность зарядов электрона и протона; q - заряд нейтрона; qg - абсолютная величина заряда электрона.  

Ядро состоит из заряженных положительно элементарных частиц - протонов и не несущих заряда нейтронов.  

В основу современных представлений о строении материи положено утверждение о существовании атомов вещества, состоящих из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов, образующих положительно заряженное ядро, и отрицательно заряженных вращающихся вокруг ядра электронов. Энергетические уровни электронов, согласно этой теории, носят дискретный характер, а потеря или приобретение ими некоторой дополнительной энергии рассматривается как переход с одного разрешенного энергетического уровня на другой. При этом дискретный характер энергетических электронных уровней становится причиной такого же дискретного поглощения или излучения электроном энергии при переходе с одного энергетического уровня на другой.  

Мы принимали, что заряд атома или молекулы полностью определяется скалярной суммой q Z (q Nqn, где Z - число пар электрон - протон, (q qp - qe - разность зарядов электрона и протона, Л - число нейтронов, a qn - заряд нейтрона.  

Заряд ядра определяется только числом протонов Z, а его массовое число А совпадает с полным числом протонов и нейтронов. Поскольку заряд нейтрона равен нулю, электрическое взаимодействие по закону Кулона между двумя нейтронами, а также между протоном и нейтроном отсутствует. В то же время между двумя протонами действует электрическая сила отталкивания.  

Далее, в пределах точности измерений, ни разу не был зарегистрирован ни один процесс столкновения, при котором не соблюдался бы закон сохранения заряда. Например, неотклоняемость нейтронов в однородных электрических полях позволяет рассматривать заряд нейтрона как равный нулю с точностью до 1 (Н7 заряда электрона.  

Мы уже говорили, что отличие магнитного момента протона от одного ядерного магнетона является удивительным результатом. Еще более удивительным (Представляется существование магнитного момента у не имеющего заряда нейтрона.  

Легко убедиться в том, что эти силы не сводятся ни к одному из типов сил, рассмотренных в предыдущих частях курса физики. В самом деле, если предположить, например, что между нуклонами в ядрах действуют гравитационные силы, то легко подсчитать по известным массам протона и нейтрона, что энергия связи на одну частицу окажется ничтожной - она будет в 1036 раз меньше той, которая наблюдается экспериментально. Отпадает также и предположение об электрическом характере ядерных сил. Действительно, в этом случае невозможно представить себе устойчивого ядра, состоящего из одного заряженного протона и не имеющего заряда нейтрона.  

Прочная связь, существующая между нуклонами в ядре, свидетельствует о наличии в атомных ядрах особых, так называемых ядерных сил. Легко убедиться в том, что эти силы не сводятся ни к одному из типов сил, рассмотренных в предыдущих частях курса физики. В самом деле, если предположить, например, что между нуклонами в ядрах действуют гравитационные силы, то легко подсчитать по известным массам протона и нейтрона, что энергия связи на одну частицу окажется ничтожной - она будет в 1038 раз меньше той, которая наблюдается экспериментально. Отпадает также и предположение об электрическом характере ядерных сил. Действительно, в этом случае невозможно представить себе устойчивого ядра, состоящего из одного заряженного протона и не имеющего заряда нейтрона.  

НЕЙТРОН (n) (от лат. neuter - ни тот, ни другой) - элементарная частица с нулевым электрич. зарядом и массой, незначительно большей массы протона. Наряду с протоном под общим назв. нуклон входит в состав атомных ядер. H. имеет спин 1 / 2 и, следовательно, подчиняется Ферми - Дирака статистике (является фермионом). Принадлежит к семейству адра-нов; обладает барионным числом B= 1, т. е. входит в группу барионов .

Открыт в 1932 Дж. Чедвиком (J. Chadwick), показавшим, что жёсткое проникающее излучение, возникающее при бомбардировке ядер бериллия a-частицами, состоит из электрически нейтральных частиц с массой, примерно равной протонной. В 1932 Д. Д. Иваненко и В. Гей-зенберг (W. Heisenberg) выдвинули гипотезу о том, что атомные ядра состоят из протонов и H. В отличие от заряж. частиц, H. легко проникает в ядра при любой энергии и с большой вероятностью вызывает ядерные реакции захвата (n,g), (n,a), (n, p), если баланс энергии в реакции положительный. Вероятность экзотермич. увеличивается при замедлении H. обратно пропорц. его скорости. Увеличение вероятности реакций захвата H. при их замедлении в водородсодержащих средах было обнаружено Э. Ферми (E. Fermi) с сотрудниками в 1934. Способность H. вызывать деление тяжёлых ядер, открытая О. Ганом (О. Hahn) и Ф. Штрасманом (F. Strassman) в 1938 (см. Деление ядер) , послужила основой для создания ядерного оружия и . Своеобразие взаимодействия с веществом медленных H., имеющих де-бройлевскую длину волны порядка атомных расстояний (резонансные эффекты, дифракция и т. д.), служит основой широкого использования нейтронных пучков в физике твёрдого тела. (Классификацию H. по энергиям - быстрые, медленные, тепловые, холодные, ультрахолодные - см. в ст. Нейтронная физика .)

В свободном состоянии H. нестабилен - испытывает B-распад; n p + е - + v e ; его время жизни t n = = 898(14) с, граничная энергия спектра электронов 782 кэВ (см. Бета-распад нейтрона) . В связанном состоянии в составе стабильных ядер H. стабилен (по эксперим. оценкам, его время жизни превышает 10 32 лет). По астр. оценкам, 15% видимого вещества Вселенной представлено H., входящими в состав ядер 4 He. H. является осн. компонентой нейтронных звёзд . Свободные H. в природе образуются в ядерных реакциях, вызываемых a-частицами радиоактивного распада, космическими лучами и в результате спонтанного либо вынужденного деления тяжёлых ядер. Искусств. источниками H. служат ядерные реакторы, ядерные взрывы , ускорители протонов (на ср. энергии) и электронов с мишенями из тяжёлых элементов. Источниками монохроматичных пучков H. с энергией 14 МэВ являются низкоэнергетич. ускорители дейтронов с тритиевой или литиевой мишенью, а в будущем интенсивными источниками таких H. могут оказаться термоядерные установки УТС. (См. .)

Основные характеристики H .

Масса H. т п = 939,5731(27) МэВ/с 2 = = 1,008664967(34) ат. ед. массы 1,675 . 10 -24 г. Разность масс H. и протона измерена с наиб. точностью из энергетич. баланса реакции захвата H. протоном: n + p d + g (энергия g-кванта = 2,22 МэВ), m n - m p = 1,293323 (16) МэВ/с 2 .

Электрический заряд H. Q n = 0. Наиболее точные прямые измерения Q n выполнены по отклонению пучков холодных либо ультрахолодных H. в электростатич. поле: Q n <= 3·10 -21 е (е - заряд электрона). Косв. данные по электрич. нейтральности мак-роскопич. кол-ва газа дают Q n <= 2·10 -22 е .

Спин H. J = 1 / 2 был определён из прямых опытов по расщеплению пучка H. в неоднородном магн. поле на две компоненты [в общем случае число компонент равно (2J + 1)].

Последоват. описание структуры адронов на основе совр. теории сильного взаимодействия - квантовой хромодинамики - пока встречает теоретич. трудности, однако для мн. задач вполне удовлетворит. результаты даёт описание взаимодействия нуклонов, представляемых как элементарные объекты, посредством обмена мезонами. Эксперим. исследование пространств. структуры H. выполняется с помощью рассеяния высокоэнергичных лептонов (электронов, мюонов, нейтрино, рассматриваемых в совр. теории как точечные частицы) на дейтронах. Вклад рассеяния на протоне измеряется в отд. эксперименте и может быть вычтен с помощью определ. вычислит. процедуры.

Упругое и квазиупругое (с расщеплением дейтрона) рассеяние электронов на дейтроне позволяет найти распределение плотности электрич. заряда и магн. момента H. (формфактор H.). Согласно эксперименту, распределение плотности магн. момента H. с точностью порядка неск. процентов совпадает с распределением плотности электрич. заряда протона и имеет среднеквадратичный радиус ~0,8·10 -13 см (0,8 Ф). Магн. форм-фактор H. довольно хорошо описывается т. н. диполь-ной ф-лой G M n = m n (1 + q 2 /0,71) -2 , где q 2 - квадрат переданного импульса в единицах (ГэВ/с) 2 .

Более сложен вопрос о величине электрич. (зарядового) формфактора H. G E n . Из экспериментов по рассеянию на дейтроне можно сделать заключение, что G E n (q 2 ) <= 0,1 в интервале квадратов переданных импульсов (0-1) (ГэВ/с) 2 . При q 2 0 вследствие равенства нулю электрич. заряда H. G E n -> 0, однако экспериментально можно определить дG E n (q 2 )/дq 2 | q 2=0 . Эта величина наиб. точно находится из измерений длины рассеяния H. на электронной оболочке тяжёлых атомов. Осн. часть такого взаимодействия определяется магн. моментом H. Наиб. точные эксперименты дают длину ne-рассеяния а nе = -1,378(18) . 10 -16 см, что отличается от расчётной, определяемой магн. моментом H.: a nе = -1,468 . 10 -16 см. Разность этих значений даёт среднеквадратичный электрич. радиус H. <r 2 E n >= = 0,088(12) Фили дG E n (q 2)/дq 2 | q 2=0 = -0,02 F 2 . Эти циф-ры нельзя рассматривать как окончательные из-за большого разброса данных разл. экспериментов, превышающих приводимые ошибки.

Особенностью взаимодействия H. с большинством ядер является положит. длина рассеяния, что приводит к коэф. преломления < 1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. При скорости u < (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах (напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства (см. Нейтронная оптика ).

H. и слабое (электрослабое) взаимодействие . Важным источником сведений об электрослабом взаимодействии является b-распад свободного H. .На квар-ковом уровне этот процесс соответствует переходу . Обратный процесс взаимодействия электронного с протоном, , наз. обратным b-распадом. К этому же классу процессов относится электронный захват ,имеющий место в ядрах, ре - nv e .

Распад свободного H. с учётом кинематич. параметров описывается двумя константами - векторной G V , являющейся вследствие векторного тока сохранения универс. константой слабого взаимодействия, и аксиально-векторной G A , величина к-рой определяется динамикой сильно взаимодействующих компонент нуклона - кварков и глюонов. Волновые ф-ции начального H. и конечного протона и матричный элемент перехода n p благодаря изотопич. инвариантности вычисляются достаточно точно. Вследствие этого вычисление констант G V и G A из распада свободного H. (в отличие от вычислений из b-распада ядер) не связано с учётом ядерно-структурных факторов.

Время жизни H. без учёта нек-рых поправок равно: t n = k(G 2 V + 3G 2 A ) -1 , где k включает кинематич. факторы и зависящие от граничной энергии b-распада кулонов-ские поправки и радиационные поправки .

Вероятность распада поляризов. H. со спином S , энергиями и импульсами электрона и антинейтрино и р е, в общем виде описывается выражением:

Коэф. корреляции a, А, В, D могут быть представлены в виде ф-ции от параметра а = (G A /G V ,)exp(i f). Фаза f отлична от нуля или p, если T -инвариантность нарушена. В табл. приведены эксперим. значения для этих коэф. и вытекающие из них значения a и f.

Имеется заметное отличие данных разл. экспериментов для т n , достигающее неск. процентов.

Описание электрослабого взаимодействия с участием H. при более высоких энергиях гораздо сложнее из-за необходимости учитывать структуру нуклонов. Напр., m - -захват, m - p nv m , описывается по крайней мере удвоенным числом констант. H. испытывает также электрослабое взаимодействие с др. адронами без участия лептонов. К таким процессам относятся следующие.

1) Распады гиперонов L np 0 , S + np + , S - np - и т. д. Приведённая вероятность этих распадов в неск. раз меньше, чем у нестранных частиц, что описывается введением угла Кабиббо (см. Кабиббо угол ).

2) Слабое взаимодействие n - n или n - p, к-рое проявляется как ядерные силы, не сохраняющие пространств. чётность .Обычная величина обусловленных ими эффектов порядка 10 -6 -10 -7 .

Взаимодействие H. со средними и тяжёлыми ядрами имеет ряд особенностей, приводящих в нек-рых случаях к значит. усилению эффектов несохранения чётности в ядрах . Один из таких эффектов - относит. разность сечения поглощения H. с по направлению распространения и против него, к-рая в случае ядра 139 La равна 7% при = 1,33 эВ, соответствуют щей р -волновому нейтронному резонансу. Причиной усиления является сочетание малой энергетич. ширины состояний компаунд-ядра и большой плотности уровней с противоположной чётностью у этого компаунд-ядра, обеспечивающей на 2-3 порядка большее смешивание компонент с разной чётностью, чем у низко лежащих состояний ядер. В результате ряд эффектов: асимметрия испускания g-квантов относительно спина захватываемого поляризов. H. в реакции (n, g), асимметрия вылета заряж. частиц при распаде компаунд-состояний в реакции (n, р) или асимметрия вылета лёгкого (или тяжёлого) осколка деления в реакции (n, f ). Асимметрии имеют величину 10 -4 -10 -3 при энергии тепловых H. В р -волновых нейтронных резонансах реализуется дополнит. усиление, связанное с подавленностью вероятности образования сохраняющей чётность компоненты этого компаунд-состояния (из-за малой нейтронной ширины р -резонанса) по отношению к примесной компоненте с противоположной четностью, являющейся s -резонан-сом. Именно сочетание неск. факторов усиления позволяет крайне слабому эффекту проявляться с величиной, характерной для ядерного взаимодействия.

Взаимодействия с нарушением барионного числа . Теоретич. модели великого объединения и суперобъединения предсказывают нестабильность барионов - их распад в лептоны и мезоны. Эти распады могут быть заметны только для легчайших барионов - p и п, входящих в состав атомных ядер. Для взаимодействия с изменением барионного числа на 1, DB = 1, можно было бы ожидать превращения H. типа: n е + p - , или превращения с испусканием странных мезонов. Поиски такого рода процессов производились в экспериментах с применением подземных детекторов с массой в неск. тысяч тонн. На основании этих экспериментов можно сделать заключение, что время распада H. с нарушением барионного числа составляет более 10 32 лет.

Др. возможный тип взаимодействия с DВ = 2 может привести к явлению взаимопревращения H. и антинейтронов в вакууме, т. е. к осцилляции . В отсутствие внеш. полей или при их малой величине состояния H. и антинейтрона вырождены, поскольку массы их одинаковы, поэтому даже сверхслабое взаимодействие может их перемешивать. Критерием малости внеш. полей является малость энергии взаимодействия магн. момента H. с магн. полем (n и n ~ имеют противоположные по знаку магн. моменты) по сравнению с энергией, определяемой временем T наблюдения H. (согласно соотношению неопределённостей), D <=hT -1 . При наблюдении рождения антинейтронов в пучке H. от реактора или др. источника T есть время пролёта H. до детектора. Число антинейтронов в пучке растёт с ростом времени пролёта квадратично: /N n ~ ~ (T /t осц) 2 , где t осц - время осцилляции.

Прямые эксперименты по наблюдению рождения и в пучках холодных H. от высокопоточного реактора дают ограничение t осц > 10 7 с. В готовящихся экспериментах можно ожидать увеличения чувствительности до уровня t осц ~ 10 9 с. Ограничивающими обстоятельствами являются макс. интенсивность пучков H. и имитация явлений антинейтронов в детекторе космич. лучами.

Др. метод наблюдения осцилляции - наблюдение аннигиляции антинейтронов, к-рые могут образовываться в стабильных ядрах. При этом из-за большого отличия энергий взаимодействий возникающего антинейтрона в ядре от энергии связи H. эфф. время наблюдения становится ~ 10 -22 с, но большое число наблюдаемых ядер (~10 32) частично компенсирует уменьшение чувствительности по сравнению с экспериментом на пучках H. Из данных подземных экспериментов по поиску распада протона об отсутствии событий с энерговыделением ~2 ГэВ можно заключить с нек-рой неопределённостью, зависящей от незнания точного вида взаимодействия антинейтрона внутри ядра, что t осц > (1-3) . 10 7 с. Существ. повышение предела t осц в этих экспериментах затруднено фоном, обусловленным взаимодействием космич. нейтрино с ядрами в подземных детекторах.

Следует отметить, что поиски распада нуклона с DB = 1 и поиски -осцилляции являются независимыми экспериментами, т. к. вызываются принципиально разл. видами взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие H . Нейтрон - одна из немногих элементарных частиц, падение к-рой в гравитац. поле Земли можно наблюдать экспериментально. Прямое измерение для H. выполнено с точностью 0,3% и не отличается от макроскопического. Актуальным остаётся вопрос о соблюдении эквивалентности принципа (равенства инертной и гравитац. масс) для H. и протонов.

Самые точные эксперименты выполнены методом Эт-веша для тел, имеющих разные ср. значения отношения A/Z , где А - ат. номер, Z - заряд ядер (в ед. элементарного заряда е) . Из этих опытов следует одинаковость ускорения свободного падения для H. и протонов на уровне 2·10 -9 , а равенство гравитац. и инертной масс на уровне ~10 -12 .

Гравитац. ускорение и замедление широко используются в опытах с ультрахолодными H. Применение гравитац. рефрактометра для холодных и ультрахолодных H. позволяет с большой точностью измерить длины когерентного рассеяния H. на веществе.

H. в космологии и астрофизике

Согласно совр. представлениям, в модели Горячей Вселенной (см. Горячей Вселенной теория )образование барионов, в т. ч. протонов и H., происходит в первые минуты жизни Вселенной. В дальнейшем нек-рая часть H., не успевших распасться, захватывается протонами с образованием 4 He. Соотношение водорода и 4 He при этом составляет по массе 70% к 30%. При формировании звёзд и их эволюции происходит дальнейший нуклеосинтез , вплоть до ядер железа. Образование более тяжёлых ядер происходит в результате взрывов сверхновых с рождением нейтронных звёзд, создающих возможность последоват. захвата H. нуклидами. При этом комбинация т. н. s -процесса - медленного захвата H. с b-распадом между последовательными захватами и r -процесса - быстрого последоват. захвата при взрывах звёзд в осн. может объяснить наблюдаемую распространённость элементов в космич. объектах.

В первичной компоненте космич. лучей H. из-за своей нестабильности вероятно отсутствуют. H., образующиеся у поверхности Земли, диффундирующие в космич. пространство и распадающиеся там, по-видимому, вносят вклад в формирование электронной и протонной компоненты радиационных поясов Земли.

Лит.: Гуревич И. С., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергий, M., 1965; Александров Ю. А.,. Фундаментальные свойства нейтрона, 2 изд., M., 1982.

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.

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.

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.