Вокруг положительного ядра атома любого химического элемента движутся что
Вокруг положительного ядра атома любого химического элемента движутся что
Модели строения атома
Первые модели строения атома появились в самом начале XX века. Жан Перрен в 1901 г. высказал предположение о ядерно-планетарном устройстве атома.
Подобную же модель предложил в 1904 г. японский физик Хантаро Нагаока. В модели Нагаоки атом уподоблялся планете Сатурн; роль планеты выполнял положительно заряженный шар, представляющий собой основную часть объёма атома, а электроны располагались подобно спутникам Сатурна, образующим его кольца. Однако более широкое распространение получила т.н. кексовая модель атома: в 1902 г.
Уильям Томсон (лорд Кельвин) высказал предположение о том, что атом представляет собой сгусток положительно заряженной материи, внутри которого равномерно распределены электроны. Простейший атом – атом водорода – представлял собой, по мнению У. Томсона, положительно заряженный шар, в центре которого находится электрон. Детально данную модель разработал Дж. Дж. Томсон, считавший, что электроны внутри положительно заряженного шара расположены в одной плоскости и образуют концентрические кольца.
Дж. Дж. Томсон предложил способ определения числа электронов в атоме, основанный на рассеивании рентгеновских лучей в предположении, что именно электроны должны являться центрами рассеивания. Проведённые эксперименты показали, что количество электронов в атомах элементов равно приблизительно половине величины атомной массы. Дж. Дж. Томсон, предположив, что число электронов в атоме непрерывно возрастает при переходе от элемента к элементу, впервые попытался связать строение атомов с периодичностью свойств элементов.
Немецкий физик Филипп фон Ленард попытался создать модель, не предполагающую раздельного существования в атоме противоположных зарядов. Атом, согласно модели Ленарда, состоит из нейтральных частиц (т.н. динамид), каждая из которых является электрическим дуплетом. Выполненные Ленардом расчёты показали, что эти частицы должны иметь крайне малые размеры, и, следовательно, большая часть объёма атома представляет собой пустоту. Сосредоточение массы атома в небольшой части его объёма отчасти подтверждалось и проведёнными Ленардом в 1903 г. опытами, в которых пучок быстрых электронов легко проходил через тонкую металлическую фольгу.
Все упомянутые модели являлись сугубо гипотетическими и исключительно качественными.
Так как атом в целом нейтрален, это означает, что электронная оболочка содержит Z электронов.
Загрузите модуль Состав атомных ядер (протоны, нейтроны). Вам предлагается просмотреть и прослушать материал о строении атома, объясняется методика определения числа элементарных частиц в атоме и закрепляется материал при помощи заполнения таблицы перетаскиванием автоматически появляющихся значений в соответствующие ячейки таблицы.
Общее число протонов и нейтронов в ядре выражается массовым числом
Рассмотрим пример. Каков состав атома и его ядра 
Модель атома Резерфорда при несомненных достоинствах содержала важное противоречие: в соответствии с законами классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен был непрерывно испускать электромагнитное излучение, теряя энергию. Вследствие этого радиус орбиты электрона должен был быстро уменьшаться, и рассчитанное из этих представлений время жизни атома оказывалось ничтожно малым. Тем не менее, модель Резерфорда послужила основой для создания принципиально новой теории, которую разработал в 1913 г. датский физик Нильс Хенрик Давид Бор.
Осталось неясным, где расположены электроны в атоме?
Расположение и количество электронов на оболочках можно изобразить на рисунке:
Определите строение атома какого химического элемента изображено на рисунке?
Отгадайте, о какой элементарной частице идет речь?
Конспект урока по химии. Тема: «Основные сведения о строение атом» (8 класс)
Тема: «Основные сведения о строение атом»
· сформировать знания о строении атома, познакомить с планетарной моделью атома по Резерфорду;
· научить находить число протонов, нейтронов, электронов указанного атома.
· научиться использовать периодическую систему для составления моделей строения атомов
· расширение кругозора в области исторических знаний об изучении электрических зарядов;
· развитие навыков выделять электрические явления в природе и технике.
· продолжить работу по формированию умений составлять, анализировать, делать выводы.
· содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира.
Раздаточный материал : таблица Менделеева.
Тип урока : изучение и первичное закрепление новых знаний.
I. Организационный момент. (1-2 мин)
II. Проверка домашнего задания. (13-15 мин)
III. Изучение нового материала. (25 мин)
IV. Закрепление, подведение итогов. (5 мин)
1. Организационный момент
– Здравствуйте, садитесь. Приготовьте учебники, тетради. Мы начинаем урок.
2. Проверка домашнего задания.
Вопрос: Что вы изучали на прошлом уроке?
Ответ: Изучали структуру Периодической таблицы, закономерности изменения свойств элементов и т.д….
— Проверим, как вы усвоили этот материал.
а) Индивидуальное задание по карточкам:
1. Горизонтальные ряды химических элементов Периодической системы Д.И. Менделеева называются:
2. Главные подгруппы образуют элементы
А. больших периодов
В. малых и больших периодов
3. Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева находятся в одном периоде.
4. Выберите ряд элементов, в котором они расположены в порядке усиления металлических свойств
5. Установите соответствие между элементом и его положением в периодической системе.
Положение элемента в таблице
1) 2 период, 4 группа
2) 2 период, 7 группа
3) 3 период, 3 группа
4) 3 период, 1 группа
1. Всего в ПС насчитывается
2. Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева находятся в одной группе.
3. Побочные подгруппы состоят из элементов
Б. больших периодов
В. малых и больших периодов
4. Выберите ряд элементов, в котором они расположены в порядке усиления неметаллических свойств
5. Установите соответствие между элементом и его положением в периодической системе.
Положение элемента в таблице
1) 6 период, 2 группа, главная подгруппа
2) 2 период, 4 группа
3) 2 период, 6 группа
4) 4 период, 1 группа, побочная подгруппа
б) Фронтальный опрос:
Вопрос : Какую структуру имеет Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева?
Ответ: Периодическая таблица Менделеева состоит из 8 групп и 7 периодов. Горизонтальные ряды называются периодами. Различают малые и большие периоды. Вертикальные столбцы таблицы называют группами. Элементы, внутри каждой группы, обладают сходными химическими и физическими свойствами. При этом группа разделяется на главные и побочные подгруппы.
Вопрос: Какие свойства характерны для элементов, объединенных в одну группу?
Ответ: 1. Высшая валентность с соединением с кислородом (за некоторыми исключениями) соответствует номеру группы.
2. В главных подгруппах сверху вниз с увеличением относительных атомных масс усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические свойства.
– Таким образом, по положению химического элемента в Периодической таблице, мы можем предсказывать его свойства.
3. Изучение нового материала.
Появление Периодической системы и открытие периодического закона открыло новую научную эру в истории химии и ряде смежных наук – взамен разрозненных сведений об элементах и соединениях Д. И. Менделеевым и его последователями создана стройная система, на основе которой стало возможным обобщать, делать выводы, предвидеть.
Вопрос: Полное название таблицы – Периодическая система (или таблица) химических элементов Д.И.Менделеева. Что же называется химическим элементом?
Ответ: Химический элемент- это вид атома.
Сегодня мы с вами поговорим ещё об одном не менее важном открытии в истории химии – о строении атома. На всех прошедших уроках вы встречались с этим понятием.
Вопрос: Что вы знаете об атоме?
Ответ: (учащиеся предлагают, учитель записывает на доске)
— мельчайшая частица химического элемента,
— бывают разного вида,
— образуют химический элемент,
— бывают различного размера,
— бывают различной массы,
— относительная атомная масса указана в ПТ,
— масса может быть выражена в кг, г и атомных единицах массы,
— в переводе с греческого означает «неделимый».
– Да, в переводе с греческого атом означает «неделимый». До конца XIX в. атом действительно считали неделимой частицей. Насколько правильно это утверждение, мы узнаем сегодня.
Тема урока: (учитель записывает на доске, ученики – в тетрадь «Строение атома».
– Сегодня на уроке мы ещё раз постараемся доказать, что именно строение атома является главной характеристикой элемента и вспомним, как определять число протонов, нейтронов, электронов в атоме любого химического элемента.
Вопрос: В каких формах может существовать любой химический элемент? Ответ: Свободные атомы, простые вещества и сложные вещества.
– Понятие «атом» возникло еще в античном мире для обозначения частиц вещества. В переводе с греческого атом означает «неделимый». До конца XIX в. атом действительно считали неделимой частицей, но последовавшие позже открытия (радиоактивность, фотоэффект) изменили это убеждение.
Вопрос: В физике, вы уже знакомились с таким явлением, как радиоактивность, что же это такое?
Ответ: Радиоактивность – это самопроизвольный распад ядер атомов с испусканием элементарных частиц.
– Тогда уже возникли сомнения, а такой ли уж неделимый атом? Сейчас известно, что атом состоит из элементарных частиц.
Вопрос: Физике вы наверняка уже знакомились с ними, какие это частицы? Ответ: Протоны, нейтроны, электроны.
– Радиоактивность была обнаружена в 1896 году французским ученым А. Беккерелем. Он установил, что элемент уран излучает лучи, подобно рентгеновским. Изучением радиоактивности занимались ученые Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри, которые наблюдали радиоактивность у элементов радия и полония. Оказалось, что радиоактивное излучение неоднородно и состоит из альфа- лучей, бета-лучей и гамма- лучей. Как показали дальнейшие исследования, альфа- лучи представляют собой поток частиц с массой 4 и зарядом +2 (ядра атома Не), бета- лучи – поток электронов, гамма- лучи подобны рентгеновским.
Вопрос: Учитывая явление радиоактивности, скажите, какие частицы входят в состав атомов?
Ответ: В состав атомов входят положительно заряженные частицы и отрицательно заряженные электроны.
Вопрос : Вспомните из физики, из каких элементарных частиц состоит атом?
Ответ: Атом состоит из протонов, нейтронов, электронов.
– Первые попытки создать модель атома в 1903 году принадлежит Дж. Томсону.
Он предложил свою модель строения атома, которая получила условное название «пудинг с изюмом». Согласно этой модели, атом представляет собой некую субстанцию, в которой равномерно распределены протоны, нейтроны и электроны. Число протонов равно числу электронов, поэтому атом в целом электронейтрален.
В 1913 г. Резерфорд предложил свою модель строения атома, получившую название планетарной.
Модель Резерфорда опирается на экспериментальных данных.
Он проводил опыты по рассеянию альфа-частиц, облучал положительно заряженными альфа-частицами золотую фольгу. Большинство альфа-частиц пролетало сквозь фольгу, как будто ее и не было, однако некоторые изменяли свой путь и даже отскакивали назад.
Вопрос: Какие частицы могли изменить траекторию движения положительно заряженных, тяжелых альфа-частиц?
Ответ: Траекторию движения положительно заряженных альфа –частиц могли изменить положительно заряженные, тяжелые частицы, так как одноименные заряды отталкиваются.
Вопрос: Какие размеры были у частиц золотой фольги, если большинство альфа-частиц пролетало сквозь фольгу.
Ответ: Размеры были маленькие.
– Таким образом, альфа-частицы при движении через золотую фольгу сталкивались с положительно заряженными, тяжелыми частицами, имеющими малые размеры.
Резерфорд заключил, что большая часть массы атома заключена в центре, которое он назвал ядром. Расчеты показали, что радиус ядра в 100 тысяч раз меньше радиуса всего атома. Если применить образное сравнение, то весь объем атома можно уподобить стадиону в Лужниках, а ядро – футбольному мячу, находящемуся в центре поля.
Согласно модели атома Резерфорда, атом состоит из ядра, в котором сконцентрирована основная масса атома, поскольку ядро содержит протоны и нейтроны; вокруг ядра на огромной скорости вращаются электроны.
Атом любого химического элемента – как бы крохотная Солнечная система.
Поэтому такую модель атома, предложенную Э. Резерфордом, называют планетарной.
Вопрос: Какое строение имеет атом?
Ответ: В атоме есть положительно заряженное ядро. Ядро состоит из элементарных частиц- протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются электроны.
– Из курса химии вы уже знаете одно определение атома как мельчайшей, химически неделимой частицы. Теперь можно дать еще одно, физическое, определение этого понятия. Давайте запишем его тетрадь (Учащиеся записывают под диктовку определение в тетрадь).
Атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно за-
Позже было установлено, что ядро атома также имеет сложное строение. Оно состоит из частиц двух типов: протонов и нейтронов.
Протон и нейтрон имеют практически одинаковую массу, равную примерно 1 u, т. е. одной атомной единице массы. Протон (его символ р) имеет относительный заряд 1+, а нейтрон (символ n) электронейтрален.
1/1840u. (Основные обозначения и значения записываются на доске).
Сумма протонов и нейтронов составляет массу атома. Количество протонов и электронов элемента можно определить по его порядковому номеру в Периодической системе Д.И. Менделеева.
К примеру, Ве. Число его протонов равно порядковому номеру, т. е. 4.
— Число протонов F =9
– Порядковый номер элемента, заряд ядра атома и число протонов в ядре обозначают буквой Z, а число нейтронов – буквой N.
Суммарное число протонов и нейтронов называют массовым числом атома и обозначают буквой А:
Массовое число атома А приблизительно равно (округлённо) относительной атомной массе А r . К примеру, атомная масса Cl =35.
Вопрос: Как определить число нейтронов в ядре?
Ответ: Число нейтронов в ядре равно разности между массовым числом элемента А и его атомным номером Z.
— Атомная масса N =14
— Атомная масса Li =7
Следовательно, число нейтронов в ядре равно разности между массовым числом элемента А и его атомным номером Z.
– Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре.
Положение химического элемента в таблице Д.И. Менделеева зависит от величины заряда атома, т.е. от числа протонов в нем. Если изменить число протонов в ядре, то это будет уже другой химический элемент.
Если, не изменяя число протонов в атоме химического элемента, т.е. заряд ядра, изменить число нейтронов, то положение химического элемента не изменится. Это будет все тот же химический элемент, но атомы его будут отличаться от исходной своей массы.
Вопрос: В физике вы уже знакомились с таким понятие, как «изотоп», что же это такое?
Ответ: Изотопы – разновидности атомов одного химического элемента, имеющие разные атомные массы.
– Слово «изотоп» состоит из двух греческих слов: изос – «одинаковый» и топос – «место», обозначает «занимающий одно место» (клетку) в таблице Д.И. Менделеева.
Теперь, с учётом знаний о строении ядра, это определение можно сформулировать по-другому. Давайте запишем его в тетрадь. (Учащиеся записывают определение)
Изотопы – разновидности атомов с одинаковым числом протонов в ядре (зарядом ядра), но разным числом нейтронов.
Теперь мы можем понять, почему атомные массы большинства элементов, приведенных в таблице Д.И. Менделеева, дробные. Относительная атомная масса элемента как совокупность изотопов выражается дробным числом, потому что рассчитывается с учетом доли каждого изотопа в природной смеси.
Теперь понятно и то, почему в некоторых случаях у элементов с большим порядковым номером атомной массы меньше, чем у элементов с меньшим порядковым номером. Это зависит от того, какие изотопы, тяжёлые или лёгкие, преобладают в данном элементе.
4. Закрепление, подведение итогов
Итак, подведем итог: Что вы сегодня узнали на уроке?
Ответ: Электроны, протоны, и нейтроны являются микрочастицами, из которых состоит атом.
Изучение строения атома позволило нам дать новое определение (в современной интерпретации) понятия «атом».
Вопрос: Что же такое атом, как вы поняли?
Ответ: Атом – это электронейтральная и химически неделимая частица, состоящая из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.
Так, хорошо. Положительный заряд ядра является главной характеристикой атома. Он определяет строение атома, число электронов, движущихся вокруг ядра, и служит отличительным признаком различных видов атомов.
Вопрос: На что указывает порядковый номер элемента в Периодической системе?
Ответ: Порядковый номер элемента на заряд ядра, число протонов в ядре и число электронов, содержащихся в атоме. Порядковый номер элемента = число протонов в ядре = заряд ядра атома = число электронов в атоме.
Вопрос: Так же массовые числа атомов одного и того же элемента могут различаться. Что это за элементы?
Ответ: Изотопы — разновидности атомов с одинаковым числом протонов в ядре (зарядом ядра), но разным числом нейтронов.
§52 учебника, вопросы 1-3 + тестовое задание
Для закрепления материала выполните тесты
1. Заряд ядра атома азота равен:
а) 7 б) 13 в) 4 г) 29 д) 11
2. Число протонов в ядре атома криптона:
а) 36 б) 17 в) 4 г) 31 д) 6
3. Число нейтронов в ядре атома цинка:
а) 8 б) 35 в)11 г)30 д)4
4. Число электронов в атоме железа:
а) 11 б)8 в)56 г)26 д)30
5. Найдите ряд, в котором верно указаны число протонов в атомах химических элементов Аl, Si, P и заряды ядра:
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Просто о химии. Атом.
Для того что бы понимать химические процессы необходимо подробно знать строение атома.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Ядро атома состоит из двух видов частиц: нейтронов, не имеющих заряда и положительно заряженных протонов, которые и определяют положительный заряд ядра.
Вокруг ядра атома вращаются отрицательно заряженные электроны, образующие электронное облако – совокупность всех электронов в атоме. О том, что такое электронное облако и электронное строение атома будет отдельная тема.
Число протонов равно числу электронов, поэтому атом – электронейтральная частица. Вспомните из школьного курса химии формулу: A = Z + N
Масса протонов и нейтронов приблизительно одинакова и равна
1,67 * 10^(-27) кг. Масса электрона, в свою очередь, примерно равна 9,11 * 10^(-31) кг, поэтому основная масса атома сосредоточена в ядре.
Рассмотрим основные параметры, характеризующие атом
Атомный номер (порядковый номер) Z – номер химического элемента, определяемый по периодической системе элементов. Атомный номер элемента показывает количество протонов и электронов в элементе.
Атомная масса, а точнее относительная атомная масса – масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Она определяется как отношение массы данного атома к 1/12 массы нейтрального изотопа углерода 12С.
К понятию атомная масса близко понятие массовое число А – сумма чисел протонов и нейтронов (нуклонов) атома. Но численно оно равно только для изотопа углерода 12С, для остальных элементов массовое число – целочисленное значение, а относительная атомная масса нет. Например: массовое число изотопа водорода равно 1, а относительная атомная масса 1,00794 (см картинку)
А что такое изотопы?
Электронная формула (конфигурация) – порядок заполнения электронов по различным электронным оболочкам.
Думаю, что на это стоит остановиться, ибо все в одном посте не охватишь.
Следующие посты будут посвящены электронному строению атома, истории открытия атома и развитию представлений о его строении.
Лучше дальше в глубь про элементарные частицы на понятном русском
Про водород не знала. Спасибо.
Будете рассказывать про атомные орбитали, не ограничтесь d и f-орбиталями.
автор решил копировать учебник по химии?
Но ведь доказано, что это коммунистические бредни.
В чем смысл? Это ведь даже баяном назвать нельзя. В любом учебнике, на любом обучающем химии сайте открыл и читаешь. Где так же кратко, где короче, где длиннее. Еще и коряво местами, чу.
Странно, атом неделимый, но он делится. Так может через Х-лет и частички атома начнем делить, а потом частички частичек. Вот будет весело через ХХХ-лет, когда на атоме будут жить наши разумные потомки и недоумевать почему же наша планета неделимая.
Что скрывают протоны?
Двадцать лет назад физики начали исследовать загадочную асимметрию внутреннего строения протона. Результаты их работы, опубликованные в конце февраля 2021 года, объясняют, как антивещество помогает стабилизировать ядро каждого атома.
Очень редко упоминается тот факт, что протоны — позитивно заряженные частицы в центре атома — являются отчасти антивеществом.
Издалека кажется, что протон состоит из трех частиц под названием кварки. Но если приглядеться получше, можно увидеть множество появляющихся и исчезающих частиц.
На самом деле, внутри протона вращается вихрь из меняющегося количества шести типов кварков, их противоположно заряженных аналогов из антивещества (антикварков) и глюонов, элементарных безмассовых частиц, которые связывают вместе другие частицы, трансформируются в них и быстро множатся. Каким-то образом этот бурлящий вихрь оказывается совершенно стабильным и на первый взгляд простым, имитируя по определенным аспектам трио кварков. «То, как это все функционирует, честно говоря, похоже на чудо», — отметил Дональд Гисаман, физик-ядерщик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.
Тридцать лет назад исследователи обнаружили поразительное свойство этого «протонного моря». Теоретики ожидали, что различные типы антивещества в нем будут распределены равномерно, но было похоже, что количество нижних антикварков значительно превышало количество верхних антикварков. Затем десять лет спустя другая группа исследователей заметила намеки на неподдающиеся объяснению вариации в соотношении верхних и нижних антикварков. Но эти результаты были на грани чувствительности эксперимента.
Итак, 20 лет назад Дональд Гисаман и его коллега Пол Раймер начали работать над новым экспериментом, чтобы получше разобраться в этом вопросе. Эксперимент, получивший название SeaQuest («Морской квест»), наконец завершился, и исследователи опубликовали его результаты в журнале Nature. Они измерили внутреннее антивещество протона тщательнее, чем когда бы то ни было, и обнаружили, что на каждый верхний антикварк в среднем приходится 1,4 нижних антикварка.
Самуэль Веласко / Quanta Magazine
Эти данные непосредственно говорят в пользу двух теоретических моделей протонного моря. «Появилось первое реальное доказательство, подтверждающее эти модели», — сказал Раймер.
Одна из них — модель «пионного облака» — это популярный подход, существующий уже несколько десятилетий, который делает упор на тенденцию протона испускать и реабсорбировать частицы под названием пионы, которые принадлежат к группе частиц, известных как мезоны. Вторая, так называемая статистическая модель, рассматривает протон как контейнер, наполненный газом.
Дальнейшие запланированные эксперименты помогут исследователям выбрать одну из этих двух моделей. Но какая бы из них ни была верной, массив данных эксперимента SeaQuest о внутреннем антивеществе протона принесет непосредственную пользу, особенно физикам, которые сталкивают протоны на околосветовых скоростях на Большом адронном коллайдере. Обладая точной информацией о составе сталкиваемых объектов, они смогут более эффективно разбирать продукты, оставшиеся после столкновения, в поисках доказательств существования новых частиц или эффектов. Хуан Рохо из Амстердамского свободного университета, который оказывает помощь в анализе данных БАК, считает, что результаты эксперимента SeaQuest могут иметь большое влияние на поиски новой физики, которые в настоящее время «ограничены нашими знаниями о структуре протона, в частности о его антивеществе».
В течение короткого периода времени около полувека назад физики полагали, что разобрались с протоном.
В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили модель, получившую впоследствии название кварковая: идея заключалась в том, что протоны, нейтроны и связанные с ними более редкие частицы представляют собой пучки из трех кварков (как их назвал Гелл-Манн), а пионы и другие мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка. Такая схема объясняла какофонию частиц, разлетающихся из ускорителей частиц высокой энергии, поскольку спектр их зарядов мог быть построен из двух- и трехчастных комбинаций. Затем, примерно в 1970 году, исследователи, работающие на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC), казалось, подтвердили кварковую модель: выстрелив высокоскоростными электронами в протоны, они увидели, как электроны отрикошетили от объектов внутри.
Но вскоре картина стала менее ясной. «По мере того, как мы все тщательнее пытались измерить свойства этих трех кварков, мы обнаружили, что происходит что-то еще», — сказал Чак Браун, 80-летний член команды SeaQuest из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб), работающий над кварковыми экспериментами с 1970-х годов.
Изучение импульса трех кварков показало, что их массы составляют малую часть общей массы протона. Кроме того, когда исследователи на SLAC стреляли электронами на большей скорости в протоны, они увидели, что электроны отталкивают больше частиц внутри. Чем быстрее электроны, тем короче их длина волны, что сделало их чувствительными к более мелким элементам протона; это похоже на увеличение разрешения микроскопа. Открывались все новые и новые внутренние частицы, которым, казалось, нет конца. «Мы не знаем, где предел и какое самое высокое разрешение возможно получить», — сказал Гисаман.
Результаты стали иметь больше смысла, когда физики разработали истинную теорию, к которой кварковая модель лишь приближается: квантовая хромодинамика или КХД. КХД, сформулированная в 1973 году, описывает «сильное взаимодействие», самую большую силу в природе, с помощью которой частицы под названием глюоны связывают пучки кварков.
КХД предсказывает тот самый вихрь, который был выявлен в экспериментах по рассеянию. Сложности возникают из-за того, что глюоны ощущают ту самую силу, которую они несут. Этим они отличаются от фотонов, несущих более простую электромагнитную силу. Это «самоуправство» создает беспорядок внутри протона, давая глюонам полную свободу действий для возникновения, размножения и расщепления на кратковременные пары кварков и антикварков. Уравновешивая друг друга, эти близко расположенные противоположно заряженные кварки и антикварки издалека остаются незамеченными. Только три несбалансированных «валентных» кварка — два верхних и нижний — составляют общий заряд протона. Но физики поняли, что стреляя электронами на большей скорости, они поражали меньшие цели.
Однако странности на этом не закончились.
Из-за самоуправства глюонов уравнения КХД невозможно решить, поэтому у физиков не получалось и до сих пор не получается рассчитать точные прогнозы теории. Но у них не было оснований предполагать, что глюоны будут расщепляться на один тип пары кварк-антикварк (а именно нижний) чаще, чем на другой. «Мы ожидали, что будет появляться равное количество тех и других пар», — сказала Мэри Альберг, теоретик-ядерщик из Сиэтлского университета, объясняя свои доводы того времени.
Мэри Альберг, физик-ядерщик из Сиэтлского университета, и ее соавторы давно утверждают, что пион играет важную роль в формировании сущности протона.
Фото предоставлено Сиэтлским университетом
Вот почему исследователей из New Muon Collaboration в Женеве так шокировали результаты эксперимента по рассеянию мюонов. В 1991г. они столкнули мюоны (более тяжелые родственники электронов) с протонами и дейтронами, состоящими из одного протона и одного нейтрона, сравнили результаты и пришли к выводу, что в протонном море больше нижних антикварков, чем верхних.
Вскоре теоретики предложили несколько возможных вариантов объяснения асимметрии протона.
Один из них связан с пионом. С 1940-х годов физики наблюдали, как протоны и нейтроны обмениваются пионами внутри атомных ядер, как игроки в команде, бросающие друг другу баскетбольные мячи, что помогает им держаться вместе. Размышляя над структурой протона, исследователи пришли к выводу, что он также может подбрасывать баскетбольный мяч себе, то есть может ненадолго испускать положительно заряженный пион, превращаясь на это время в нейтрон, и затем реабсорбировать его. «Если во время эксперимента вы думаете, что смотрите на протон, это не так, потому что на какое-то время этот протон будет переходить в состояние пары нейтрон-пион», — сказала Альберг.
Если говорить точнее, протон превращается в нейтрон и пион, состоящий из одного верхнего кварка и одного нижнего антикварка. Поскольку этот призрачный пион имеет нижний антикварк (пион с верхним антикварком не может так легко материализоваться), такие теоретики, как Альберг, Джеральд Миллер и Тони Томас, утверждали, что модель пионного облака объясняет большее количество нижних антикварков протона, выявленное в результате измерений.
Самуэль Веласко / Quanta Magazine
Появились и другие аргументы. Клод Буррели и его коллеги из Франции разработали статистическую модель, которая рассматривает внутренние частицы протона как молекулы газа в комнате, хаотично двигающиеся на разных скоростях, которые зависят от того, целым или полуцелым количеством момента импульса обладает частица. При настройке с учетом данных многочисленных экспериментов по рассеянию модель предположила преобладание антикварков.
Прогнозы двух вышеупомянутых моделей не были идентичными. Большую часть общей массы протона составляют энергии отдельных частиц, которые прорываются в протонное море и из него, и эти частицы несут различные энергии. Модели по-разному спрогнозировали, как должно измениться соотношение верхних и нижних антикварков по мере подсчета антикварков, несущих больше энергии. Физики измеряют связанную с этим величину под названием доля импульса антикварка.
Когда исследователи в Фермилабе в 1999 году в рамках эксперимента NuSea измерили соотношение верхних и нижних антикварков в качестве функции импульса антикварка, результат их работы просто воодушевил всех, вспоминает Альберг. Эти данные свидетельствуют о том, что среди антикварков с большим импульсом (настолько большим, что они находились на грани диапазона обнаружения прибора) внезапно оказалось больше верхних антикварков, чем нижних. «Каждый теоретик говорил: ‘Погодите-ка’, — сказала Альберг, — Почему кривая развернулась, когда эти антикварки получили большую долю импульса?»
Пока теоретики ломали голову над этим вопросом, Гисаман и Раймер, которые работали над экспериментом NuSea и знали, что данным на грани иногда не стоит доверять, решили построить эксперимент, где можно было бы в комфортных условиях исследовать более широкий диапазон импульсов антикварка. Они назвали его SeaQuest.
С кучей вопросов о протоне, но без денег, они начали собирать эксперимент из использованных деталей. «Нашим девизом было: снижай количество отходов, используй повторно, перерабатывай», — сказал Раймер.
Они приобрели несколько старых сцинтилляторов в лаборатории в Гамбурге, оставшиеся детекторы частиц в Лос-Аламосской национальной лаборатории и железные пластины, блокирующие радиацию, которые изначально были использованы в циклотроне Колумбийского университета в 1950-х годах. У них получилось применить магнит размером с комнату, использованный в эксперименте NuSea, и провести свой новый эксперимент на ускорителе протонов в Фермилабе. Получившийся из этих деталей «Франкенштейн» тем не менее был не лишен своего очарования. По словам Брауна, который помог найти все части, звуковой индикатор, сигнализирующий, что протоны поступают в устройство, был сделан 50 лет назад: «Когда он издает звуковой сигнал, становится тепло на душе».
Физик-ядерщик Пол Раймер (сверху) с устройством для эксперимента SeaQuest
Эксперимент в Фермилабе, собранный в основном из использованных деталей
И наконец они его запустили. В эксперименте протоны поражают две цели: пузырек с водородом, который по сути представляет собой протоны, и пузырек с дейтерием, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона.
При попадании в любую из двух целей, один из валентных кварков протона иногда аннигилирует с одним из антикварков протона или нейтрона мишени. «Аннигиляция имеет уникальную сигнатуру и производит мюон и антимюон», — сказал Раймер. Эти частицы вместе с другим «мусором», образовавшимся в результате столкновения, затем врезаются в старые железные пластины. «Мюоны могут проходить сквозь них, а все остальные частицы блокируются», — сказал он. Обнаружив мюоны на обратной стороне пластин и восстановив их исходные траектории и скорости, «вы можете восстановить хронологию событий, чтобы выяснить, какую долю импульса несут антикварки».
Поскольку протоны и нейтроны зеркально отражают друг друга, там, где у одного расположены частицы верхнего типа, у другого — нижнего типа, и наоборот. Сравнив данные из двух пузырьков, можно сразу увидеть соотношение верхних антикварков и нижних антикварков в протоне, но этому, конечно, предшествовало 20 лет работы.
В 2019 году Альберг и Миллер на основе модели пионного облака рассчитали, к каким результатам должен прийти эксперимент SeaQuest. Их прогноз вполне совпадает с новыми данными SeaQuest.
Новые данные, которые показывают постепенное повышение, а затем выход на плато в соотношении между нижними и верхними антикварками, а не внезапную реверсию, также совпадают с результатами более гибкой статистической модели, разработанной Буррели и его коллегами. И все же Миллер называет эту конкурирующую модель «описательной, а не прогнозирующей», поскольку она настроена, чтобы соответствовать данным, а не выявлять физический механизм, объясняющий преобладание антикварков. «А в наших расчетах я горжусь как раз тем, что они представляют собой истинный прогноз», — сказала Альберг. «Мы не настраивали никакие параметры заранее».
В электронном письме Буррели утверждал, что «статистическая модель более мощная, чем модель Альберга и Миллера», поскольку она учитывает эксперименты по рассеянию как с поляризованными, так и не поляризованными частицами. Миллер категорически не согласился, отметив, что модель пионных облаков объясняет не только состав антивещества протона, но и магнитные моменты различных частиц, распределение зарядов и время распада, а также «связывание и, следовательно, существование всех ядер». Он добавил, что пионный механизм «важен в широком смысле для таких вопросов, как: «Почему существуют ядра? Почему существуем мы?».
В конечном стремлении понять протон решающим фактором может быть спин или собственный момент импульса. Эксперимент по рассеянию мюонов в конце 1980-х показал, что спины трех валентных кварков протона составляют не более 30% от общего спина протона. «Кризис протонного спина» можно выразить следующим вопросом: «что же составляет остальные 70%?» И как снова сказал опытный исследователь Чак Браун, старожил Фермилаб, «должно быть, что-то еще».
Экспериментаторы будут исследовать спин протонного моря в Фермилабе и, затем, в проектируемом электронно-ионном коллайдере Брукхейвенской национальной лаборатории. Альберг и Миллер уже работают над расчетами полного «мезонного облака», окружающего протоны, которое, помимо пионов, включает более редкие «ро-мезоны» (rho mesons). В отличие от пионов, ро-мезоны обладают спином, поэтому они каким-то образом должны влиять на общий спин протона, что Альберг и Миллер и надеются определить.
По словам Брауна, эксперимент Фермилаб SpinQuest, в котором участвуют многие исследователи из SeaQuest и используются детали этого эксперимента, почти готов к работе. «Если повезет, мы получим данные этой весной; это будет зависеть, по крайней мере, частично, от прогресса в разработке вакцины против вируса. Забавно, что решение столь глубокого и непонятного вопроса о внутреннем строении ядра, зависит от ситуации с вирусом COVID в стране. Все в мире взаимосвязано, не так ли?».
Автор оригинала: Natalie Wolchover
«ЧТО ТАКОЕ РЕНТГЕН И ЧЕМ ОН ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ЗИВЕРТА» или «ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИИ»
Мы уже рассказывали о том, что такое радиация в принципе (см. мою первую статью здесь же). Теперь так же коротко и очень понятным языком обсудим единицы её измерения. Надо сказать, вопрос этот не слишком сложный, но, тем не менее, иногда здесь происходит некоторая путаница.
Начнём с того, что для измерения активности радиоактивных материалов в системе СИ используется такая единица как беккерель (Бк). Фактически это дело показывает то, сколько распадов в секунду происходит в данном веществе за 1 с. Поэтому 1 Бк = 1 с^-1. То есть, речь идёт именно о процессах «внутри» радионуклида, а не об информации о «радиации вокруг» него. Внесистемная единица измерения активности – кюри (Ки). 1 Ки = 3,7 * 10^7 Бк.
Теперь непосредственно о самой радиации. Существует такое понятие как экспозиционная доза. По сути, она просто характеризует способность фотонного (гамма) излучения ионизировать окружающий воздух и представляет собой отношение суммарного заряда ионов, образованных в результате действия излучения, к массе воздуха, на который это действие оказывалось. Соответственно единица измерения экспозиционной дозы – кулон на килограмм (кл/кг). Внесистемная единица измерения – это тот самый рентген (Р). 1 Р = 2,58*10^-4 кл/кг. Мощность экспозиционной дозы измеряется в амперах на килограмм (А/кг) или в рентгенах в секунду (Р/с). На практике, впрочем, часто используют рентгены в час (Р/ч). А мощность – она и есть мощность. Её значение даёт понять, «насколько сильное» гамма-излучение присутствует в данном месте, «сколько рентген воздействует на объект за секунду или за час».
Также существует понятие поглощённой дозы. Это – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу. Чтобы было понятно, скажем так. Если экспозиционная доза скорее характеризует само по себе излучение (только гамма), то поглощённая – показывает именно «количество» действия излучения (какого-нибудь) на что-либо, «сколько радиации здесь подействовало на объект». Формулировки, разумеется, мягко говоря, некорректные, но весьма наглядные и понятные. В системе СИ данная величина измеряется в греях (Гр). Один грей равен одному джоулю (энергии) на килограмм (вещества) (Дж/кг). Кроме того, есть несистемная единица под название «рад», равная 0,01 Гр. Фактически именно поглощённая доза является основополагающей в дозиметрии. Она показывает именно действие энергии на вещество и применима к радиоактивному излучению любого вида. В общем и целом, в большинстве случаев можно считать, что «100 рентген гамма-излучения равны 100 радам или 1 грею». То есть, в среднем, объект, помещённый в среду, в которой наблюдается мощность гамма-излучения 100 Р/ч, за час получит дозу в 1 грей. А за 2 часа, как несложно догадаться – 2 грея. Хотя на самом деле там всё будет зависеть от конкретной энергии конкретных частиц. Но в среднем – примерно как-то так.
Теперь самое интересное. Дело в том, что разные виды излучения (альфа, бета, гамма. ) по-разному воздействуют на живые организмы. Ранее мы уже отмечали, что альфа-излучение может быть гораздо опаснее, чем бета (другой вопрос, что оно должно ещё как-то «попасть в организм», а для него это сложнее). Поэтому для оценки биологического эффекта облучения организма была придумана эквивалентная доза излучения, измеряемая в зивертах (Зв). Она равна поглощённой (организмом или его частью) дозе, умноженной на так называемый взвешивающий коэффициент данного вида излучения. То есть, величину энергии, полученной организмом или его частью, просто умножают на коэффициент, который у каждого вида излучения свой. Для гамма-излучения он равен 1. Следовательно, в этом (и самом распространённом) случае эквивалентная доза (в Зв) будет численно равна поглощённой (в Гр). Есть и внесистемная единица измерения эквивалентной дозы: бэр (биологический эквивалент рентгена), который равен 0,01 Зв. Таким образом, если человек пробыл 3 часа в местности, мощность экспозиционной дозы в которой составляет 30 Р/ч, то поглощённая им доза излучения примерно такова: 3 * 30 = 90 (рад) = 0,9 (Гр), что в эквиваленте равно 90 (бэр) или 0,9 (Зв).
Для бета-частиц и рентгеновского излучения взвешивающий коэффициент также равен 1.
Для протонного принимается равным 2.
Для альфа-частиц и осколков деления атомов – 20.
Что касается нейтронного излучения, то оно сильно различается по энергии этих самых нейтронов, и здесь коэффициент может быть от 2 до 21.
Получается, что 1 час воздействия альфа-излучения на организм как бы соответствует целым 20 часам воздействия гамма-излучения.
Всё? Нет, не всё. Излучение ещё и по-разному может действовать на различные ткани и органы организма. Например, глаза могут быть более чувствительны, чем кожа. Для оценки действия излучения на конкретные «места организма» используется ещё один коэффициент, на который умножается суммарная эквивалентная доза облучения организма. Полученная величина называется эффективной дозой и измеряется в тех же единицах, что и эквивалентная. Например, для желудка и лёгких коэффициент равен 0,12, для кожи – 0,01.
Какие конкретно эквивалентные дозы излучения приводят к развитию лучевой болезни? Это тема для отдельного разговора. Если совсем вкратце, то за довольно короткий промежуток времени человек должен успеть получить дозу 100 Р = 1 рад = 1 Гр = 100 бэр = 1 Зв (для гамма-излучения). Да, да, вероятно, именно поэтому знаменитый бар в «Сталкере» был назван именно так.
Автор: Сергей Смолин.
«ЧТО ТАКОЕ РАДИАЦИЯ» и «КАКАЯ ОНА БЫВАЕТ»
Краткая и понятная справка для самых маленьких.
В сети (и не только) иногда попадаются люди, которые не знают даже самых простых вещей про радиацию. Специально для них объясняем. Да, очень вкратце. Да, НЕ совсем научно, а, может быть, даже и НЕ совсем точно, и вообще наивно и по-детски. Но зато очень просто и ясно. А если кому-то нужно больше и правильнее – пожалуйте в Гугл.
Сначала на всякий случай напоминаем. Как известно, вещества состоят из атомов, а атомы состоят из трёх видов частиц: протонов (положительно заряженные частицы), нейтронов (нейтральные частицы), электронов (отрицательно заряженные частицы). Из протонов и нейтронов сделано ядро атома. И тех, и других называют ещё нуклонами. А электроны (которые намного меньше по массе) роятся вокруг этого ядра по специальным «орбитам» (орбиталям). Этот «рой» (облако) электронов нас сейчас не интересует. Все самые захватывающие процессы происходят в ядре.
Все эти нуклоны держатся (обычно) вместе и никуда на разлетаются. На это у них есть веские причины, называемые ядерными силами, из-за которых нуклоны притягиваются друг к другу. Строго говоря, само это явление рассматривается уже не в ядерной физике, а в физике элементарных частиц, в общем, просто поверьте, что оно есть. Помимо ядерных сил на нуклоны действуют некоторые другие силы, например, кулоновские силы отталкивания. У «обычных» стабильных изотопов притяжение нуклонов пересиливает всё остальное. И ничего интересного с такими ядрами не происходит. Однако, при некоторых условиях, например, если нейтронов получается «больше, чем нужно», или при некоторых других, могут начать происходить весьма любопытные явления. Именно это и отличает радиоактивные изотопы элементов от не радиоактивных.
Одним из таких любопытных явлений является альфа-распад. При альфа-распаде из ядра атома вылетают – кто бы мог подумать! – так называемые альфа-частицы. Они представляют собой два протона и два нейтрона (то, есть, по сути, это ядра гелия). Соответственно, в ядре остаётся меньшее число нуклонов, и данный атом становится уже атомом другого элемента. Альфа-частицы не могут улететь далеко от покинутого ядра, их пробег в воздухе составляет несколько сантиметров, а в какой-нибудь там алюминий они могут проникнуть только на доли миллиметра, не говоря уже о чём-то более плотном. Альфа-частицы притягивают к себе часть электронов из окружающей среды, чтобы стать «полноценными» атомами гелия. Соответственно, при контакте с ними соседние атомы вещества часть своих электронов теряют и становятся так называемыми ионами. Ввиду маленькой проникающей способности, альфа-излучение в подавляющем большинстве случаев не представляет опасности для человека и прочих зверюшек, так как эти частицы не способны преодолеть даже верхний омертвевший слой кожи (даже если смогут на неё попасть сквозь окружающий воздух). Однако, вещества, в которых происходит альфа-распад, могут быть чрезвычайно опасны при попадании внутрь организма. Кстати говоря, радиоактивные вещества, попав в организм, могут весьма и весьма надолго там задержаться (а некоторые прям очень надолго), то есть, воздействие получится не только гораздо более сильным, но ещё и долгим (и вот это уже относится к изотопам с любым видам распада, а не только с альфа). Именно поэтому при нахождении в некоторых опасных зонах следует пользоваться защитной одеждой и противогазом.
Второе интересное явление, касающееся предмета нашего рассмотрения – бета-распад. Здесь процесс немного более сложный. Существует такая вещь как слабое взаимодействие (тут опять физика элементарных частиц). И вот это взаимодействие при бета-распаде превращает один из нейтронов атома в протон (или наоборот). При этом, в соответствии с определёнными законами, в ядре также «образуются» две частицы. В зависимости от вида бета-распада (отрицательный или положительный), это могут быть либо электрон и антинейтрино, либо позитрон и нейтрино. «Нейтрины» оставим в покое, нам они сейчас не нужны. А вот такие вылетающие из ядер электроны/позитроны – это и есть бета-частицы. Они способны ионизировать чьи-либо атомы, вызывать химические реакции и вообще делать всякие разные вещи. Их проникающая способность – на порядок больше, чем у альфа-частиц. Пробег в воздухе может исчисляться метрами. Эти малыши вполне способны проникать в кожу человека. Вещества с бета-распадом так же очень опасны при попадании вовнутрь (хотя действие бета-частиц на организм всё-таки намного слабее, чем альфа).
Нейтронное излучение. Как несложно догадаться, это поток нейтронов. Фактически наблюдается не «само по себе», а только при ядерных реакциях (в реакторах или при тех самых ядерных взрывах). Вылетающие нейтроны различаются по своей энергии. В отличие от вышеперечисленных частиц, нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов и лучше поглощаются не тяжёлыми (плотными), а лёгкими атомами, скажем, бором. Так называемые «быстрые» нейтроны (с более высокой энергией) поглощаются вообще плохо, однако, могут быть «замедленны» с помощью, к примеру, водородосодержащих материалов (той же воды). Нейтроны могут «цепляться» к ядрам окружающих веществ, в результате чего эти ядра становятся радиоактивными и начинают сами испускать те или иные частицы (наведённая радиоактивность).
Существует также экзотическое протонное излучение и некоторые другие, но их рассмотрение уже выходит за рамки этого разговора.