Чем протон отличается от нейтрона

Содержание

Протон и нейтрон являются двумя основными частицами, составляющими атомные ядра. Вот основные отличия между протоном и нейтроном:

Заряд: Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду (+1е), где «е» обозначает заряд электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда и считается нейтральной частицей.
Масса: Масса протона составляет около 1,67 × 10^(-27) килограмма. Масса нейтрона примерно равна массе протона или немного больше, составляя около 1,67 × 10^(-27) килограмма.
Электромагнитное взаимодействие: Из-за своего положительного заряда, протоны подвержены электромагнитным взаимодействиям с другими заряженными частицами. Нейтроны, не имея заряда, не подвержены электромагнитным силам.
Участие в химических реакциях: Протоны являются ключевыми участниками химических реакций, так как их заряд позволяет им взаимодействовать с другими заряженными частицами, включая электроны и другие протоны. Нейтроны, не имея электрического заряда, не принимают активного участия в химических реакциях.
Стабильность ядра: Протоны и нейтроны вместе обеспечивают стабильность ядра. Протоны, благодаря своему положительному заряду, создают электростатическое отталкивание между собой. Нейтроны, не обладая зарядом, служат «смазкой» между протонами, снижая отталкивание и помогая поддерживать ядро стабильным.
Изотопы: Протоны и нейтроны могут варьироваться в количестве в ядрах атомов одного и того же химического элемента. Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов, называются изотопами. Изотопы могут иметь различные свойства и стабильность.

Вместе протоны и нейтроны составляют большую часть массы атомных ядер и играют важную роль в определении структуры и свойств атомов и элементов.

Критерий Протон Нейтрон

Заряд	+1	0
Масса	Приблизительно 1,67 x 10^-27 кг	Приблизительно 1,67 x 10^-27 кг
Состав	Два кварка «up» и один кварк «down» (uud)	Два кварка «down» и один кварк «up» (udd)
Взаимодействия	Взаимодействует электростатически с заряженными частицами	Не взаимодействует электростатически, но подвержен сильным ядерным силам

Первый уровень понимания

Из чего состоят протоны и нейтроны?

Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего

Из чего состоят протоны и нейтроны

Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.

Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.

Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне

Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.

Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в других статьях: протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.

Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов

Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).

Что у этих трёх описаний общего:

Два верхних кварка и нижний кварк (плюс что-то ещё) у протона.
Один верхний кварк и два нижних кварка (плюс ещё что-то) у нейтрона.
«Ещё что-то» у нейтронов совпадает с «ещё чем-то» у протонов. То есть, у нуклонов «ещё что-то» одинаковое.
Небольшая разница в массе у протона и нейтрона появляется из-за разницы масс нижнего кварка и верхнего кварка.

у верхних кварков электрический заряд равен 2/3 e (где e – заряд протона, -e – заряд электрона),
у нижних кварков заряд равен -1/3e,
у глюонов заряд 0,
у любого кварка и соответствующего ему антикварка общий заряд равен 0 (к примеру, у антинижнего кварка заряд +1/3e, так что у нижнего кварка и нижнего антикварка заряд будет –1/3 e +1/3 e = 0),

общий электрический заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
общий электрический заряд нейтрона 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

сколько «ещё чего-то» внутри нуклона,
что оно там делает,
откуда берутся масса и энергия массы (E = mc 2 , энергия, присутствующая там, даже когда частица покоится) нуклона.

Рис. 1 говорит о том, что кварки, по сути, представляют собой треть нуклона – примерно так, как протон или нейтрон представляют четверть ядра гелия или 1/12 ядра углерода. Если бы этот рисунок был правдив, кварки в нуклоне двигались бы относительно медленно (со скоростями гораздо меньшими световой) с относительно слабыми взаимодействиями, действующими между ними (хотя и при наличии некоей мощной силы, удерживающей их на месте). Масса кварка, верхнего и нижнего, составляла бы тогда порядка 0,3 ГэВ/с 2 , примерно треть массы протона. Но это простое изображение и навязываемые им идеи просто неверны.

Рис. 3. даёт совершенно другое представление о протоне, как о котле частиц, снующих в нём со скоростями, близкими к световой. Эти частицы сталкиваются друг с другом, и в этих столкновениях некоторые из них аннигилируют, а другие создаются на их месте. Глюоны не имеют массы, массы верхних кварков составляют порядка 0,004 ГэВ/с 2 , а нижних – порядка 0,008 ГэВ/с 2 — в сотни раз меньше протона. Откуда берётся энергия массы протона, вопрос сложный: часть её идёт от энергии массы кварков и антикварков, часть – от энергии движения кварков, антикварков и глюонов, а часть (возможно, положительная, возможно, отрицательная) из энергии, хранящейся в сильном ядерном взаимодействии, удерживающем кварки, антикварки и глюоны вместе.

В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.

У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона. Те же проблемы есть и у рис. 2.

Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.

Стоит отметить, что чрезвычайную сложность строения, подразумеваемая рис. 3, стоило ожидать от объекта, который удерживает вместе такая мощная сила, как сильное ядерное взаимодействие. И ещё одно: три кварка (два верхних и один нижний у протона), не являющиеся частью группы пар кварков-антикварков, часто называют «валентными кварками», а пары кварков-антикварков – «морем кварковых пар». Такой язык во многих случаях технически удобен. Но он даёт ложное впечатление того, что если бы вы смогли заглянуть внутрь протона, и посмотрели на определённый кварк, вы сразу смогли бы сказать, является ли он частью моря или валентным. Этого сделать нельзя, такого способа просто нет.

Масса протона и масса нейтрона

Поскольку массы протона и нейтрона так похожи, и поскольку протон и нейтрон отличаются только заменой верхнего кварка нижним, кажется вероятным, что их массы обеспечиваются одним и тем же способом, исходят из одного источника, и их разница заключается в небольшом отличии между верхним и нижним кварками. Но три приведённых рисунка говорят о наличии трёх очень разных взглядов на происхождение массы протона.

Рис. 1 говорит о том, что верхний и нижний кварки просто составляют по 1/3 от массы протона и нейтрона: порядка 0,313 ГэВ/с 2 , или из-за энергии, необходимой для удержания кварков в протоне. И поскольку разница между массами протона и нейтрона составляет долю процента, разница между массами верхнего и нижнего кварка тоже должна составлять долю процента.

Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.

Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.

Чтобы понять, как это работает, нужно думать не в терминах массы m протона, но в терминах его энергии массы E = mc 2 , энергии, связанной с массой. Концептуально правильным вопросом будет не «откуда взялась масса протона m», после которого вы можете подсчитать E, умножив m на c 2 , а наоборот: «откуда берётся энергия массы протона E», после которого можно подсчитать массу m, разделив E на c 2 .

Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:

А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.

Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.

Подводя итоги, укажем, что:

Рис. 1 предполагает, что энергия массы протона происходит из вклада А).
Рис. 2 предполагает, что важны оба вклада А) и В), и немного своей доли вносит Б).
Рис. 3 предполагает, что важны Б) и В), а вклад А) оказывается незначительным.

Если рис. 3 не врёт, массы кварка и антикварка очень малы. Какие они на самом деле? Масса верхнего кварка (как и антикварка) не превышает 0,005 ГэВ/с 2 , что гораздо меньше, чем 0,313 ГэВ/с 2 , который следует из рис. 1. (Массу верхнего кварка тяжело измерить, и это значение меняется из-за тонких эффектов, так что она может оказаться гораздо меньшей, чем 0,005 ГэВ/с 2 ). Масса нижнего кварка примерно на 0,004 ГэВ/с 2 больше массы верхнего. Это значит, что масса любого кварка или антикварка не превышает одного процента массы протона.

Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.

Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.

На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.

Научно-популярное
Физика

Протон и нейтрон. Что это такое и чем они отличаются. Мой комментарий

«Именно так, но обмениваются они парой кварк-антикварк в виде пиона. Скорее всего отрицательного пиона, но положительный тоже нельзя исключать» — последовал краткий ответ.

Попробую развёрнуто ответить на этот вопрос несколько с иных позиций, чем имеет в своём арсенале современная ядерная физика и физика элементарных частиц. Главным образом потому, что в моих представлениях пространство не одно на все случаи жизни, а их много. Но главных их них два — электромагнитное, элементами которых являются фотоны, и ядерное, элементами которых являются протоны с нейтронами, а также электроны и большой «зоопарк» так называемых элементарных частиц. Остальные многие пространства являются составными из этих двух главным, именно они образуют нам те формы и состояния вещества, которые мы наблюдаем. А именно: разные атомы у разных элементов таблицы Менделеева, молекулы, составленные из них, кристаллы, жидкости и газы, а также отвечающие за разные внутренние состояния вещества такие, как сверхпроводимость, свертекучесть, магнетизм и что-нибудь ещё.

Другим существенным отличием моих представлений о пространствах является их дискретность, и перечисленные выше представители двух главных пространств являются их возбуждёнными состояниями. Подчеркну — возбуждёнными, так как невозбуждённые мы наблюдать не можем. (Если бы у бабушки было мужское достоинство, то она была бы дедушкой.)

Так вот протон — это первое возбуждённое состояние ядерного пространства, о нейтроне скажу чуть позже. Структура ядерного пространства очень сильно отличается от структуры электромагнитного, где фотоны там являются бозонами, безмассовыми и больше похожими на волну, чем на частицу. В качестве бозонов фотоны практически не взаимодействуют друг с другом, и им для обмена энергией и импульсом, для достижения некоторого равновесного состояния требуются фермионы — те самые представители ядерного пространства. Фотоны в качестве локальных, отдельных волн заполняют собой всё электромагнитное пространство, отчего оно кажется нам непрерывным. Но фотоны — всё же дискретные частицы. Место, которое они занимают в электромагнитном пространстве, соответствует их длине волны λ=h/p, где p — импульс, а h — квант действия, известный нам как постоянная Планка. Энергия фотонов ε=h/τ, где τ — характерное время, соответствующее периоду классической электромагнитной волны, имеет простую связь с его импульсом через скорость света c=ε/p. Все эти формулы нам должны быть известны ещё со школы.

Именно из квантов действия h, по мнению автора, состоят и фактически ими являются все дискретные элементы электромагнитного и ядерного пространств. Протоны и нейтроны — тоже. Более того, волею случая оказавшись за пределами атомного ядра, они (как и электрон) занимают место фотона — ровно один квант действия h и поэтому вынуждены подчиняться формулам выше (p=h/λ, ε=h/τ). Это отметил в своё время де Бройль, когда приписал частицам с массой соответствующую их импульсу длину волны. Откуда и пошло понятие дуальности «частица-волна». Именно этот факт учёл в своей работе Шрёдингер, когда явил миру своё знаменитое уравнение, волновая функция в котором являлось периодической по кванту действия h, а само уравнение описывало не больше не меньше как перенос одиночной частицы в электромагнитном пространстве.

Если в структуре электромагнитного пространства фотон мог обладать любой энергией — и большой и малой (как, например, радиоволны), то в ядерном пространстве всё происходит совсем не так. Протоны и нейтроны не могут быть возбуждены тем способом, как возбуждаются фотоны, не имеющие своей внутренней структуры. Структура ядерного пространства оказывается гораздо интересней. Она — троична! Так уж постарался Создатель или кто там вместо него. Возможно это связано с отрицательной кривизной пространства в ядре, как предположил известный кристаллограф Галиулин Р.В. И если это так, троичность наиболее удобна для динамики частиц в таком пространстве. Три кварка как раз являются элементами такого пространства. Но не простыми элементами. Они не могут существовать по отдельности. Только три, «только хард рок». Сколько было попыток разбить протоны на отдельные кварки — всё впустую: много кварков, целые струи, составленные из троек, но все они собирались обратно в протоны.

Кварки не есть отдельные элементарные частицы, это своего рода ячейки или «соты» единого пространства, из которых частицы создаются. Этих ячеек может быть достаточно много — разных. Для тех энергий, которые мы можем создать в лаборатории, мы знаем по крайней мер три поколения разных кварков (три пары), да ещё столько же антикварков к ним в придачу. Но возбуждение наименьшей энергии — протон — может быть составлено только из трёх кварков первой пары: двух «верхних» и одного «нижнего». Вот почему все протоны одинаковы, они не могут быть построены иначе. Если постараться и возбудить более «тяжелую» частицу, содержащую в себе больше энергии и/или другие кварки, это будет уже другая частица. Существуют ли частицы, состоящие из большего чем три количества кварков, не знаю. Но попытки учёных получить такие частицы продолжаются. Вот из двух — кварка и антикварка — ядерные частицы существовать могут. Например, такими частицами, состоящими из одного кварка и одного анитикварка первого поколения, являются пионы, и они имеют самое непосредственное отношение к существованию нейтрона в ядре и даже электрона за его пределами.

Нейтрон, как выяснили учёные, тоже состоит из трёх кварков первого поколения, но в другом сочетании: двух «нижних» и одного «верхнего». Такой состав делает нейтрон обладающим более высокой энегией, поскольку большей энергией обладает «нижний» кварк по сравнению с «верхним». Кроме того, разные кварки обладают разным дробным электрическим зарядом — так уж устроена Природа. «Нижний» кварк обладает электрическим зарядом -1/3, «верхний» — зарядом +2/3. Вот такая разница в обладании зарядом и энергией и позволяет протонам и нейтронам в ядре превращаться друг в друга.

При соударении протона с нейтроном в ядре в последнем, как более энергетическом, может образоваться пара: «нижний» кварк и «верхний» антикварк с общим зарядом -1, равном заряду электрона. Структура ядерного пространства это позволяет. Такая пара, являясь отрицательным пионом, передаётся протону, в нём антикварк пиона аннигилирует с «верхним» кварком протона, и в результате остаются только три кварка, соответствующие нейтрону с нулевым электрическим зарядом. Такой обмен отрицательными пионами делает устойчивым совместное существование нуклонов в ядре. При таком обмене невозможно понять кто есть кто: только что протон был протоном и вот он уже нейтрон, и наоборот. Вот почему не могут существовать или быть устойчивыми ядра (и соответственно атомы) с одними только протонами и одними нейтронами или их малым соотношением. Только примерно равным или когда нейтронов немного больше. Не исключено, что в ядре может существовать также обмен и положительными пионами — антиподами или античастицами отрицательных пионов. Но и их состав должен быть противоположный: «верхний» кварк и «нижний» антикварк. Тогда этот положительный пион должен образовываться внутри протона и передаваться нейтрону, делая его протоном. Тут загвоздка может быть в том, что протон обладает меньшей энергией чем нейтрон и ему нужно где-то взять дополнительную энергию. Но если с протоном поделится энергией ядро как целое, то почему бы и не случиться такому процессу?

Откуда же возникает электрон? Из нейтрона, когда он оказывается за пределами ядра. В нём уже достаточно энергии для испускания отрицательного пиона. В ядре этот пион не может превратиться в электрон, так как энергии электрона не будет хватать для обмена между протонами и нейтронами, да и кварковая структура пространства не позволит это сделать. А электромагнитное пространство позволяет (пока не совсем ясно почему) пиону превратиться сначала в более тяжёлый электрон — мюон, а затем и сам электрон, бесструктурный и обладающий наименьшей массой. Можно добавить, что распад пиона сопровождается также образованием сначала мюонного антинейтрино, а потом уже и электронного. Но это уже другая тема.

Искренне ваш, Дулин Михаил.

Чем отличается протон от нейтрона

Найдите правильный ответ на вопрос ✅ «Чем отличается протон от нейтрона . » по предмету Химия, а если вы сомневаетесь в правильности ответов или ответ отсутствует, то попробуйте воспользоваться умным поиском на сайте и найти ответы на похожие вопросы.

Похожие вопросы по химии

Укажи частицу, в которую бы превратился бы: А) атом натрия, если из него удалить 1 электрон; Б) атом гелия, если из него удалить 1 протон; В) атом фтора, если из него удалить 2 протона; Г) атом фтора, если из него удалить 1 электрон и 1 протон;

В ядре атома мышьяка содержится: а) 33 электрона и 42 протона б) 42 нейтрона и 33 протона в) 33 протона и 33 нейтрона г) 33 протона и 33 электрона

Какая из этих частиц имеет наименьшую массу?:протон электрон нейтрон массы протона, нейтрона и электрона равны

Определите химические элементы в ядрах атомов которых содержатся 7 протонов и 7 нейтронов, 51 протон и 71 нейтрон, 101 протон и 155 нейтронов, и объясните как вы это нашли

Вставь пропущенные слова: а) в состав ядра входят . и . ; б) общее число протонов в ядре равно . ядра и . элемента; в) заряд протона равен . ; г) масса протона равна . ; д) общее число нейтронов в ядре равно . ; е) заряд нейтрона равен .

Помогите с ответом
решить уравнение 2 целых 2.9:y=3 целых 19.27:3 целых 1.3
Нет ответа

дачнику до железной платформы нужно пройти 2 км. с какой средней скоростью нужно идти. чтобы успеть на электр-ку которая прибудет на платформу через полчаса? запиши ответ с помощью знака > или равно, обозначив средн. скорость буквой U

Протон и нейтрон. Что это такое и чем они отличаются. Мой комментарий

Искренне ваш, Дулин Михаил.

Атом

Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.

Электрон — это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.

Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны — это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон — это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. Периодическая система химических элементов). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.

В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.

Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).

Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — гамма-излучение. Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Атом (греч. atomos — неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е — элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 —10 эл.-ст. ед.), и Z — атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А—Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:

Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 —8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).

Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы — электроны, протоны, атомы и т. д.,— кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е0, в какое-либо из возбужденных состояний Ei происходит при поглощении определенной порции энергии Еi — Е0. Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= Ei— Еk где h — постоянная Планка (6,62·10 —27 эрг·сек), v — частота света.

Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Анатомический атлас
Физиология человека
Детские болезни
Йога
Правильное питание
Как похудеть
ЛФК (лечебная физкультура)
Лучшие курорты мира
Лечение народными средствами
Лекарственные растения
Проктология
Психиатрия
Алкоголизм
Курение
Спортивная медицина
Судебная медицина

Атомы

Атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества, а также наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Химически неделимая означает, что атом в ходе химических реакций не делится на более мелкие части.

Атомы очень маленькие частицы, их размер находится в диапазоне от одного до пяти ангстрем (обозначается — Å.). Один ангстрем — это 10 –10 метра.

Состав и строение атомов

Атомы состоят из ещё более мелких частиц.

В центре любого атома находится положительно заряженное ядро. В пространстве вокруг ядра находятся отрицательно заряженные частицы — электроны, которые образуют так называемое электронное облако . Таким образом, атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его отрицательно заряженного электронного облака.

Пример. Атом гелия состоит из ядра, в котором находятся два протона и два нейтрона, и двух электронов:

Ядро атома — это центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса и весь положительный электрический заряд. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Протон — это частица, которая имеет положительный электрический заряд. Заряд протона в условных единицах равен +1. Символ протона — p + .

Нейтрон — это частица, не имеющая электрического заряда. Заряд нейтрона равен 0. Символ нейтрона — n 0 .

Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны.

Ядра атомов имеют положительный заряд, так как состоят из протонов с положительным зарядом и нейтронов. По величине заряд равен количеству протонов в ядре и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе.

Электрон — это частица, которая имеет отрицательный электрический заряд. Заряд электрона в условных единицах равен -1. Символ электрона — e .

Протоны, нейтроны и электроны имеют общее название — элементарные частицы или субатомные частицы.

Название Символ Заряд

Протон	p +	+1
Нейтрон	n 0	0
Электрон	e	-1

Заряд протона и электрона одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Любой атом содержит равное число протонов и электронов, значит заряд ядра и суммарный заряд всех электронов атома одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Следовательно, атомы являются электронейтральными частицами.