Имеет ли электрический заряд нейтрон

Текст является частью пособия по химии.
Автор текста – Анисимова Елена Сергеевна. https://vk.com/bch_5
Авторские права защищены. При копировании и передаче текста указание автора и ссылка на ВК обязательны.
Распространение и изучение текста приветствуется. – Давайте станем более информированными.
Курсивом набран текст пояснений, напоминаний или фактов на будущее. При первом чтении или спешке его можно не читать.
Справа расположены рекомендации.
Параграф 1: Элементарные частицы
Параграф 2: Атом
Параграф 3: Ионы
Параграф 1: Элементарные частицы
В природе есть вещицы, которые называют:
протонами, электронами и нейтронами.
Эти частицы относятся к элементарным частицам.
Эти три – основные, но есть и множество других.
Элементарные частицы очень маленькие по размерам, он не видны в микроскопы.
Масса элементарных частиц
Кратко: масса протона и нейтрона – по 1, масса электрона почти ноль.
Масса протона равна условной единице.
(См. определение атомной единицы массы).
Масса нейтрона почти равна массе протона, то есть тоже единице.
Масса электрона не ноль, но в 1836 раз меньше протона, и часто не учитывается.
Оформим эти сведения в виде маленькой таблицы для упрощения усвоения:
Протон Нейтрон Электрон
Масса 1 1 Почти 0
Заряды элементарных частиц (электрические заряды)
Кратко: заряд нейтрона – ноль, протона – плюс 1, электрона – минус 1.
Что такое электрический заряд?
Существует такое свойство тел, которое называют электрическим зарядом.
Наличие электрического заряда проявляется в способности реагировать на другие предметы, имеющие электрический заряд.
Реакция (заряженного тела на заряд другого) проявляется в том, что предмет, имеющий электрический заряд,
— или притягивается к другому заряженному предмету,
— или отталкивается от него.
Типы эл. зарядов.
Заряд бывает двух типов – один тип эл. заряда назван положительным, а другой тип – отрицательным.
Принято говорить, что положительный и отрицательный – разноимённые.
Положительный заряд притягивается к отрицательному (то есть разноимённые заряды притягиваются). Точнее, тела с такими зарядами.
Положительный от положительного отталкивается, отрицательный от отрицательного тоже отталкивается.
(То есть одноимённые отталкиваются – точнее, тела с одноимёнными зарядами).
Заряд нейтрона
У нейтрона нет электрического заряда, то есть он электронейтрален (отсюда и его название – нейтрон). То есть нейтрон не реагирует на частицы с эл. зарядом.
Заряды протона и нейтрона
У протона и электрона есть электрические заряды –
равные по величине, но противоположные по «знаку». –
Заряд протона считается положительным,
а заряд электрона считается отрицательным.
Величина заряда
Величина заряда протона или электрона принята за условную единицу.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — Как Устроен Атом, Что такое Ион? // Физика 8 класс


Суммарный заряд протона и электрона равен нулю. (Сумма электро-нейтральна).
(Плюс один и минус один в сумме дают ноль.)
Когда число протонов равно числу электронов, то суммарный заряд равен нулю.
Если число протонов больше или меньше числа электронов – заряд не нулевой.
Таблицы «Заряды элементарных частиц»:
Протон Электрон Нейтрон
Заряд Плюс 1 Минус 1 0
Обобщение по свойствам элементарных частиц.
Таким образом, у нейтрона нет заряда, а у электрона почти нет массы.
Массы протона и нейтрона – по единице.
Заряды протона и электрона – по единице.
Свойства протона: масса 1 и заряд +1.
Свойства нейтрона: масса 1 и заряд 0.
Свойства электрона: масса 0 и заряд –1.
Обобщим сведения об основных свойствах элементарных частиц в таблице:
«Свойства элементарных частиц»
Протон Электрон Нейтрон
Масса 1 0 1
Заряд Плюс 1 Минус 1 Ноль
(нет заряда)
Это очень простые сведения.
Но из них есть множество важных выводов.
Из них выводится множество фактов. Так что эту таблицу – знать.
Элементарные частицы в природе
Потоки протонов и электронов распространяются от Солнца по всей Солнечной системе!
В каком виде существуют элементарные частицы в природе?
В «свободном виде» протоны и электроны есть в Солнце и многих других звёздах.
От Солнца протоны и электроны распространяются прочь от Солнца – по Солнечной системе. Этот поток заряженных частиц называют солнечным ветром.
Солнечный ветер оказывает влияние на жизнь людей:
он может приводить к сбоям техники, электроники, связи!
А если бы не атмосфера (воздушная оболочка Земли), то солнечный ветер мог бы погубить живые организмы Земли!
Но на Земле протоны, электроны и нейтроны обычно объединяются,
образуя системы: а-то-мы. (См. также ионы).
В космосе атомы тоже есть – в молекулярных облаках между звёздами.
Параграф 2: Атом
Протоны, электроны и нейтроны существуют в природе обычно не по отдельности,
а объединяются в единые системы.
Часто система из элементарных частиц содержит одинаковое число протонов и электронов.
Такая система из равного числа протонов и электронов называется атомом.

Атом тоже считается частицей, но уже не элементарной.
Атом – ключевое понятие в науках о веществах.
Часто в атоме есть и нейтроны. –
Иногда нейтронов в атоме столько же, сколько и протонов, иногда меньше (у протия), а иногда нейтронов намного больше, чем протонов; чем больше в атоме протонов – тем больше и нейтронов на долю протонов.
Протоны и электроны могут входить в состав единой системы,
которая называется атомом.
(Если протонов и электронов поровну).
Как уже сказано, число протонов и электронов в атоме всегда равное.
Из-за этого суммарный заряд протонов (он равен числу протонов со знаком плюс)
и суммарный заряд электронов (он равен числу электронов со знаком минус)
в сумме дают ноль – нейтральный заряд атома как целого или просто отсутствие заряда у атома.
Параграф 3: И-о-ны
Некоторые атомы могут присоединять к себе «лишние» электроны.
Некоторые атомы могут терять свои электроны (обычно от 1 до 7).
После потери электрона или присоединения электронов заряд атома перестаёт быть нулевым, и атом уже не атом!
Если атом теряет электрон или присоединяет к себе электрон, то он:
перестаёт быть нейтральным, перестаёт считаться атомом,
и получает название ИОН.
Ион не является нейтральной частицей.
Ион всегда имеет заряд, в отличие от атома.
Ион – это бывший атом; зарядившийся атом.
Атом плюс или минус электрон(ы) = ион

Но. Зарядившиеся молекулы тоже называют ионами – см. далее!
Какие бывают ионы…
Если атом теряет электроны (а вместе с ними и отрицательные заряды),
то в возникшем ионе:
имеется дефицит отрицательных зарядов (по сравнению с бывшим атомом),
что даёт иону положительный заряд.
Кратко: потеря электронов атомом превращает его в положительный ион (катион).
Атом минус электрон(ы) = ион с положительным зарядом (катион)
Если атом присоединяет к себе электроны (и отрицательный заряд вместе с ними),
то в возникшем ионе имеется избыток отрицательных зарядов.
Кратко: приобретение электронов атомом превращает его в отрицательный ион (анион).
Атом плюс электрон(ы) = ион с отрицательным зарядом (анион)
Явление превращения атома в ион (в результате присоединения электрона или потери электрона) называется ионизацией.
Где встречаются ионы
Ионы есть везде – на Земле, в воле, почве, воздухе, организме.
В Солнце в основном ионы, а атомов мало или нет, то есть вещество в ионизированном состоянии.
Типы атомов
Сколько бывает протонов в атомах?
Об этом – в файле «Типы атомов. Химические элементы».

Массы трех фундаментальных частиц, выраженные в а.е.м., имеют следующие значения:
масса протона – 1.007277 а.е.м., масса нейтрона – 1.008665 а.е.м., масса электрона – 0.000548 а.е.м.
Указывать массу электрона 0- принципиальная ошибка,вводит учеников в дальнейшие заблуждения.

Нейтрон

Физика

Нейтро́н (от лат. neuter – ни тот ни другой; символ n), элементарная частица с нулевым электрическим зарядом и массой, незначительно большей массы протона . Нейтрон является фермионом и входит в группу барионов . Наряду с протоном нейтрон относится к нуклонам и входит в состав атомных ядер. Открыт в 1932 г. Дж. Чедвиком . Так как нейтрон электрически нейтрален, он легко проникает в атомные ядра при любой энергии и с большой вероятностью вызывает ядерные реакции . Способность нейтронов вызывать деление тяжёлых ядер в цепной ядерной реакции послужила основой для создания ядерного оружия и ядерной энергетики. Масса нейтрона m n = 939 , 565379 ( 21 ) МэВ = 1 , 00866491600 ( 43 ) а . е . м . = 1 , 674927351 ( 74 ) ⋅ 1 0 – 24 г . m_n=939,565379(21): МэВ=1,00866491600(43): а. е. м.=1,674927351(74)·10^: г. m n ​ = 939 , 565379 ( 21 ) МэВ = 1 , 00866491600 ( 43 ) а . е . м . = 1 , 674927351 ( 74 ) ⋅ 1 0 –24 г .

Нейтрон тяжелее протона на 1 , 293332 МэВ 1,293332: МэВ 1 , 293332 МэВ . Спин нейтрона равен 1 /2. В свободном состоянии нейтрон нестабилен – распадается на протон, электрон и антинейтрино ; время жизни составляет 885 , 7 ( 8 ) 885,7(8) 885 , 7 ( 8 ) с. В связанном состоянии в составе стабильных ядер нейтрон стабилен. Несмотря на электронейтральность нейтрона, его магнитный момент существенно отличен от нуля: μ n = – 1 , 91304272 ( 45 ) μ яд μ_n=–1,91304272(45)μ_ μ n ​ = –1 , 91304272 ( 45 ) μ яд ​ , где μ яд μ_ μ яд ​ – ядерный магнетон , знак магнитного момента определяется относительно направления его спина. Отношение к магнитному моменту протона равно примерно – 2 /3, что согласуется с кварковой структурой нуклонов.

Статический электрический дипольный момент точечной частицы должен быть тождественно равен нулю. Стандартная модель элементарных частиц предполагает малое разделение положительного и отрицательного заряда внутри нейтрона и предсказывает существование электрического дипольного момента, но его расчётная величина мала и остаётся за пределами экспериментального обнаружения.

Согласно современной кварковой модели, нейтрон состоит из трёх кварков : одного u u u -кварка с электрическим зарядом + 2 /3 e e e и двух d d d -кварков с зарядами – 1 /3 e e e , связанных между собой глюонами . Квантовые числа нейтрона целиком определяются набором составляющих его кварков, а пространственная структура – динамикой взаимодействия кварков и глюонов. Особенностью этого взаимодействия является его рост с увеличением расстояния, так что размер нейтрона ограничен областью порядка 10 –13 см – областью конфайнмента кварков. Античастица нейтрона – антинейтрон ( n ~ ) (ñ) ( n ~ ) – открыт в 1956 г.; в пределах точности измерений массы обеих частиц равны.

Свободные нейтроны в природе образуются в ядерных реакциях, вызываемых альфа-частицами радиоактивного распада, космическими лучами , и в результате спонтанного или вынужденного деления тяжёлых ядер. Искусственные источники нейтронов – ядерные реакторы, ядерные взрывы, ускорители протонов и электронов с мишенями из тяжёлых элементов.

Поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, детектирование его посредством ионизации атомов вещества невозможно. Для регистрации нейтронов обычно используются два косвенных метода: захват нейтронов атомными ядрами с последующим излучением ядром α α α -частицы или гамма-кванта и рассеяние нейтронов на ядрах вещества с последующей регистрацией ядра отдачи.

Методы использования нейтронов в научных и прикладных исследованиях зависят от их кинетической энергии. Нейтроны с кинетической энергией свыше 100 кэВ называют быстрыми, с энергией до 100 кэВ – медленными. Быстрые нейтроны образуются в ядерных реакциях при бомбардировке различных ядер заряженными частицами или γ γ γ -квантами высокой энергии, а также при делении ядер. Медленные нейтроны подразделяют на промежуточные (с энергиями 10 4 –10 5 эВ), резонансные (0,5–10 4 эВ), тепловые нейтроны (5·10 –3 –0,5 эВ), холодные нейтроны (10 –7 –5·10 –3 эВ) и ультрахолодные нейтроны ( 10 –7 эВ). Тепловые нейтроны с большой вероятностью захватываются веществом с образованием, как правило, нестабильных, более тяжёлых изотопов атомных ядер. Холодные нейтроны образуются из тепловых при прохождении через холодные вещества, например через жидкий дейтерий . Ультрахолодные нейтроны формируются при упругом рассеянии на твёрдом дейтерии или на жидком сверхтекучем гелии .

Для медленных нейтронов определяющим фактором становятся их волновые свойства. Нейтроны с длиной волны, близкой к межатомным расстояниям (около 0,1 нм), являются важнейшим средством исследования структуры твёрдых тел . Медленные нейтроны, подобно фотонам , рассеиваясь на атомах твёрдого вещества, интерферируют . Структура наблюдаемой дифракции нейтронов связана со строением исследуемой среды. Наличие у нейтронов магнитного момента делает пучки поляризованных нейтронов чрезвычайно чувствительным инструментом для исследования распределения намагниченности в веществе.

Особенностью взаимодействия нейтронов с веществом является показатель преломления, меньший единицы. Благодаря этому нейтроны, падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутреннее отражение. Ультрахолодные нейтроны при скорости менее 5–8 м/с испытывают полное внутреннее отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и другими при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрaхолодных нейтронов используется в экспериментах и позволяет реализовать нейтронно-оптические устройства , аналоги оптических линз и призм.

Способность нейтронов при облучении вещества вызывать последующее излучение γ γ γ -квантов используется для активационного анализа . Спектр испущенных γ γ γ -квантов сопоставляется с таблицей линий излучения известных химических элементов и позволяет с высокой точностью определить химический состав вещества.

Нейтрон – одна из немногих элементарных частиц, падение которой в гравитационном поле Земли можно наблюдать экспериментально. Прямое измерение ускорения свободного падения для нейтрона выполнено с погрешностью 0,3 % и не отличается от ускорения свободного падения для макроскопических тел. Гравитационное ускорение и замедление нейтронов широко используются в опытах с ультрахолодными нейтронами.

Согласно современным представлениям, в модели горячей Вселенной образование барионов, в том числе протонов и нейтронов, происходит в первые минуты жизни Вселенной. В дальнейшем некоторая часть нейтронов, не успевших распасться, захватывается протонами с образованием ядер 4 He ^4text 4 He . По астрономическим оценкам, 15 % видимого вещества Вселенной представлено нейтронами, входящими в состав ядер 4 He ^4text 4 He .

Опубликовано 18 июля 2022 г. в 10:23 (GMT+3). Последнее обновление 18 октября 2022 г. в 20:15 (GMT+3). Связаться с редакцией

Нейтрон, раздел «Физик»

Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом -1/3, связанных между собой глюонным полем (см. Элементарные частицы, Кварки, Сильные взаимодействия).

Нейтроны устойчивы лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон — нестабильная частица, распадающаяся на протон (p), электрон (е — ) и электронное антинейтрино (νe → ) (см. Бета-распад): n → р + е — + νe → . Время жизни нейтрона составляет (917±14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.

По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: mn — mp = (1,29344±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731±0,0027 МэВ; это соответствует 1,6•10 -24 г, или mn≈1840me, где me — масса электрона.

Нейтрон участвует во всех видах фундаментальных взаимодействий (см. Единство сил природы). Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия — бета-распад нейтрона — здесь уже рассматривался. Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия.

Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.

Сейчас принята условная классификация нейтронов по их кинетической энергии: медленные нейтроны (10 8 эВ). Весьма интересными свойствами обладают очень медленные нейтроны (Ю-7 эВ), получившие название ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении. С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стенок и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Это позволяет проводить многие тонкие эксперименты по изучению свойств нейтронов.

Другой метод хранения ультрахолодных нейтронов основан на их волновых свойствах. При малой энергии длина волны де Бройля (см. Квантовая механика) настолько велика, что нейтроны отражаются от ядер вещества подобно тому, как свет отражается от зеркала. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., и первые результаты были получены в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований спустя почти десятилетие. Недавно советским ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.

Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.

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

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

Какой у нейтрона заряд

Науково-популярний журнал Пізнавайка

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

нейтрон

Не правда ли, странная постановка вопроса? Ведь нейтрон — нейтральная частица, то есть с нулевым зарядом. Однако последнее время, особенно в физике элементарных частиц, экспериментаторы все чаще ставят под сомнение очевидные на первый взгляд факты. До сих пор думали, что нейтрон нейтрален, потому что во всех опытах он вел себя как нейтральная частица, но, строго говоря, из этого следует только, что заряд его лежал за пределами точности.

Значит, надо ставить все более точные эксперименты. В Германии исследовали медленный пучок нейтронов со скоростью всего двести метров в секунду. Его фокусировали в тоненькую «иголочку» и потом пропускали через электрическое поле длиной десять метров. Если бы у нейтрона был хоть крошечный заряд, пучок должен был отклониться. Отклонение пучка регистрировали точным детектором. К сожалению, а может быть, и к счастью, пучок не отклонялся. Вывод такой: заряд нейтрона, если он вообще есть, по крайней мере в десять в двадцатой степени раз меньше заряда электрона — во столько раз один сантиметр меньше расстояния до ближайшей звезды.

И все же подобные результаты нисколько не смущают теоретиков; они продолжают предлагать гипотезы с ненулевым зарядом нейтрона. Болгарские теоретики предполагают, что этот заряд в несколько раз меньше, чем предел точности немецких экспериментаторов. С ненулевым зарядом нейтрона хорошо описываются магнитные поля Земли и Солнца, возникающие из-за вращения уже не нейтральных атомов и молекул. К сожалению, из основ теории не следует величина заряда нейтрона, можно лишь очень грубо оценивать порядок величины на основе квантово-механических флуктуаций энергии в начальные стадии развития Вселенной. Так что окончательный ответ на вопрос о заряде нейтрона должны дать дальнейшие эксперименты.

Строение атома

Атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и электронной оболочки.

В состав ядра входят нуклоны, или ядерные частицы. Это протоны и нейтроны. Электронная оболочка образована электронами. Протоны, нейтроны и электроны называют элементарными частицами атома.

Нуклоны в ядре удерживаются ядерным взаимодействием, энергия которого намного больше энергии химической связи. Поэтому в химических реакциях ядра не разрушаются.

Протон ((p)) — это частица с относительным зарядом (+1) и относительной массой (1).
Нейтрон ((n)) не имеет заряда, а его относительная масса тоже равна (1).
Электрон ( e − ) имеет заряд (-1), а его масса в (1837) раз меньше массы протона и нейтрона.
Строение атома можно охарактеризовать по положению химического элемента в периодической системе.

Порядковый номер элемента равен заряду ядра, числу протонов в ядре и числу электронов в его электронной оболочке.

Учитывая, что масса атома в основном сосредоточена в ядре и масса каждого нуклона равна (1), можно определить число нейтронов. Для этого от массового числа нужно отнять число протонов (порядковый номер).

порядковый номер радия Ra (88), относительная атомная масса равна (226). Значит, в атоме содержится (88) протонов и (88) электронов, а число нейтронов равно (226 — 88 = 138).

Число нейтронов в атомах одного элемента непостоянно. Поэтому атомы одного химического элемента могут различаться своими массами и существуют в виде разных нуклидов (изотопов).

Изотопы (нуклиды) — разновидности атомов с одинаковым зарядом ядра, но разными массами.

Изотопы с одинаковым зарядом ядра составляют химический элемент. Их обозначают, указывая справа вверху от символа элемента массовое число. Справа внизу часто записывают также протонное число (порядковый номер): O 8 16 , O 8 17 .

Большинство химических элементов в природе представлено несколькими разновидностями атомов. Всего их известно более (2500).

водород в природе представлен тремя изотопами. Ядро самого лёгкого изотопа (протия) состоит только из одного протона. В ядре дейтерия один протон и один нейтрон, а в ядре трития один протон и два нейтрона.

Frame 605.png

Рис. (1). Изотопы водорода

Указанная в периодической системе относительная атомная масса — это средняя масса всех существующих в природе изотопов данного элемента. Когда мы её округляем до целых, то получаем массу самого распространённого изотопа.

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:

Атом

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
Протонp ++1
Нейтронn 00
Электронe-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.

Протон, нейтрон и электрон

Мощным толчком в развитии такой науки, как ядерная физика, стало открытие нейтрона (1932 год). Благодарить за это следует английского физика Д. Чедвика, который был учеником Резерфорда. Что такое нейтрон? Это нестабильная частица, которая в свободном состоянии всего за 15 минут способна распадаться на протон, электрон и нейтрино, так называемую безмассовую нейтральную частицу.

что такое нейтрон

Частица получила свое название из-за того, что она не имеет электрического заряда, она нейтральна. Нейтроны являются чрезвычайно плотными. В изолированном состоянии один нейтрон будет иметь массу всего 1,67·10 — 27 , а если взять чайную ложку плотно упакованную нейтронами, то получившийся кусок материи будет весить миллионы тонн.

Количество протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свою уникальную идентичность. В атомах некоторых элементов, например углерода, число протонов в ядрах всегда одинаково, но количество нейтронов может различаться. Атом данного элемента с определенным количеством нейтронов в ядре называется изотопом.

что такое нейтрон

Опасны ли одиночные нейтроны?

Что такое нейтрон? Это частица, которая наряду с протоном входит в состав ядра атома. Однако иногда они могут существовать сами по себе. Когда нейтроны находятся вне ядер атомов, они приобретают потенциально опасные свойства. Когда они двигаются с высокой скоростью, они производят смертельную радиацию. Так называемые нейтронные бомбы, известные своей способностью убивать людей и животных, при этом оказывают минимальное влияние на неживые физические структуры.

Нейтроны являются очень важной частью атома. Высокая плотность этих частиц в сочетании с их скоростью придает им чрезвычайную разрушительную силу и энергию. Как следствие, они могут изменить или даже разорвать на части ядра атомов, которые поражают. Хотя нейтрон имеет чистый нейтральный электрический заряд, он состоит из заряженных компонентов, которые отменяют друг друга относительно заряда.

Нейтрон в атоме — это крошечная частица. Как и протоны, они слишком малы, чтобы увидеть их даже с помощью электронного микроскопа, но они там есть, потому что это единственный способ, объясняющий поведение атомов. Нейтроны очень важны для обеспечения стабильности атома, однако за пределами его атомного центра они не могут существовать долго и распадаются в среднем всего лишь за 885 секунд (около 15 минут).

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий