Атомы — мельчайшие частицы вещества.
Если увеличить до размеров Земного шара яблоко средней величины, то атомы станут размером всего лишь с яблоко. Несмотря на столь малые размеры, атом состоит из еще более мелких физических частиц.
Со строением атома вы должны быть уже знакомы из школьного курса физики. И все-таки напомним, что в составе атома есть ядро и электроны, которые вращаются вокруг ядра так быстро, что становятся неразличимыми — образуют «электронное облако», или электронную оболочку атома.
Электроны принято обозначать так: e − . Электроны e − очень легкие, почти невесомые, но зато имеют отрицательный электрический заряд. Он равен −1. Электрический ток, которым все мы пользуемся — это поток электронов, бегущий в проводах.
Ядро атома, в котором сосредоточена почти вся его масса, состоит из частиц двух сортов — нейтронов и протонов.
Нейтроны обозначают так: n 0 , а протоны так: p + .
По массе нейтроны и протоны почти одинаковы — 1,675 · 10 −24 г и 1,673 · 10 −24 г.
Правда, считать массу таких маленьких частиц в граммах очень неудобно, поэтому ее выражают в углеродных единицах, каждая из которых равна 1,673 · 10 −24 г.
Для каждой частицы получают относительную атомную массу, равную частному от деления массы атома (в граммах) на массу углеродной единицы. Относительные атомные массы протона и нейтрона равны 1, а вот заряд у протонов положительный и равен +1, в то время как у нейтронов заряда нет.
- Первое условие: каждому виду атомов соответствует свой собственный набор «деталей» — элементарных частиц. Например, в атоме водорода обязательно будет ядро с положительным зарядом +1, значит, в нем непременно должен быть один протон (и не больше).
В атоме водорода могут быть и нейтроны. Об этом — в следующем параграфе.
Атом кислорода (порядковый номер в Периодической системе равен 8) будет иметь ядро, заряженное восемью положительными зарядами (+8), — значит, там восемь протонов. Поскольку масса атома кислорода равна 16 относительных единиц, чтобы получить ядро кислорода, добавим еще 8 нейтронов. - Второе условие состоит в том, чтобы каждый атом оказался электронейтральным. Для этого в нем должно быть электронов столько, чтобы уравновесить заряд ядра. Иначе говоря, число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре, а также порядковому номеру этого элемента в Периодической системе.
Задание 10 . Определите состав атомов
При ответе рекомендуется использовать Таблицу Менделеева.
Протон
Прото́н (от греч. πρῶτος – первый; символ р), стабильная элементарная частица (нижняя граница времени жизни протона 2,1·10 29 лет); ядро атома самого лёгкого изотопа водорода (H + ). Вместе с нейтронами протоны образуют ядра всех атомов тяжелее водорода; число протонов в ядре равно атомному номеру данного химического элемента и, т. о., определяет его место в периодической системе химических элементов . Масса mр=1,672621777(74)·10 –24 г≈1836mе, где m е m_е m е – масса электрона ; в энергетических единицах m p m_p m p ≈938,3 МэВ. Электрический заряд протона положителен и по абсолютной величине равен заряду электрона: e=1,602176565·10 –19 Кл. Спин протона равен 1 /2, поэтому протоны подчиняются статистике Ферми – Дирака . Магнитный момент протона μ p μ_p μ p =2,792847356(23)μя, где μ я μ_я μ я – ядерный магнетон . Среднеквадратичный радиус протона составляет 0,8 фм. У протона существует античастица – антипротон. Протон участвует во всех фундаментальных взаимодействиях : сильном (является адроном ), электромагнитном , слабом и гравитационном . В классе адронов протон относится к подклассу барионов и имеет сохраняющийся барионный заряд +1. В сильном взаимодействии протон и нейтрон проявляют одинаковые свойства и рассматриваются как два состояния одной частицы – нуклона , различающиеся проекциями изотопического спина .
Положительный и отрицательный ион
Представление о протоне возникло в результате построения планетарной модели атома ( Э. Резерфорд , 1911), открытия изотопов ( Ф. Содди , Дж. Дж. Томсон , Ф. Астон , 1906–1919), атомные массы которых оказались кратными атомной массе водорода, и экспериментального наблюдения ядер водорода, выбитых α-частицами из ядер других элементов (Резерфорд, 1919–1920). Термин «протон» ввёл Резерфорд в начале 1920-х гг.
В рамках утвердившейся к началу 2000-х гг. стандартной модели протон состоит из трёх кварков , удерживаемых за счёт обмена глюонами . Около 99 % массы протона обусловлено энергией движения и взаимодействия кварков и глюонов. Силы, связывающие нуклоны в атомных ядрах, и другие низкоэнергетические процессы объясняются в основном обменом виртуальным π-мезоном между нуклонами. Теоретической основой для описания свойств протонов в сильных взаимодействиях является квантовая хромодинамика .
Электромагнитные свойства протона неразрывно связаны с наличием вокруг него облака виртуальных адронов. Именно взаимодействием γ-кванта с виртуальными π-мезонами качественно объясняется большое отличие магнитного момента протона от ядерного магнетона. Экспериментами по рассеянию электронов и γ-квантов на протонах установлены пространственные распределения электрического заряда и магнитного момента протона – его формфактор ( Р. Хофстедтер и другие, 1957) и измерены его электрическая и магнитная поляризуемости ( В. И. Гольданский и другие, 1960).
Примерами слабого взаимодействия с участием протонов являются внутриядерные превращения протона в нейтрон и наоборот, проявляющиеся в виде бета-распада ядер и электронного захвата .
В свободном состоянии протон наблюдаются в космических лучах (около 90% их состава) и при протонной радиоактивности некоторых ядер.
Ввиду стабильности протона, наличия у него электрического заряда и относительной простоты получения (ионизацией атомов водорода) пучки ускоренных протонов являются одним из основных инструментов экспериментальной физики элементарных частиц . Ускоренные протоны используются для изучения рассеяния самих протонов, а также для получения пучков частиц: π- и K-мезонов , антипротонов, мюонов . На основе пучков ускоренных протонов успешно развивается протонная терапия в медицине.
Протоны участвуют в термоядерных реакциях , являющихся основным источником энергии звёзд . Важное значение имеет участие протонов во многих химических реакциях (например, протолитических реакциях , протонировании ), а также в кислотно-оснóвном взаимодействии.
Опубликовано 14 июня 2022 г. в 16:05 (GMT+3). Последнее обновление 18 октября 2022 г. в 20:16 (GMT+3). Связаться с редакцией
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
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.
| 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.
Число протонов, размер и масса
Количество протонов делает каждый атом уникальным. Например, у кислорода их восемь, у водорода всего один, а у золота — целых 79. Это число похоже на тождество элемента. Вы можете многое узнать об атоме, просто зная число его протонов. Эта субатомная частица, найденная в ядре каждого атома, имеет положительный электрический заряд, равный и противоположный электрону элемента. Если бы он был изолирован, то имел бы массу всего около 1,673 -27 кг, чуть меньше массы нейтрона.
Число протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свое уникальное тождество. В атомах какого-либо конкретного элемента число протонов в ядрах всегда одно и то же. Атом простого водорода имеет ядро, которое состоит всего из 1 протона. Ядра всех других элементов почти всегда содержат нейтроны в дополнение к протонам.
Насколько велик протон?
Никто этого точно не знает, и это проблема. В экспериментах использовались модифицированные атомы водорода, чтобы получить размер протона. Это субатомная тайна с большими последствиями. Спустя шесть лет после того, как физики объявили о слишком малом измерении размера протона, ученые все еще не уверены касательно истинного размера. С появлением новых данных тайна становится все более глубокой.
Протоны — частицы, находящиеся внутри ядра атомов. В течение многих лет радиус протона казался закрепленным на отметке примерно в 0,877 фемтометров. Но в 2010 году Рэндольф Пол из из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, получил тревожный ответ, используя новую методику измерения.
Команда изменила один протон, один электронный состав атома водорода, переключив электрон на более тяжелую частицу, называемую мюоном. Затем они заменили этот измененный атом лазером. Измерение полученного изменения их энергетических уровней позволило им рассчитать размер его протонного ядра. К их удивлению, он вышел на 4 % меньше, чем традиционное значение, измеряемое другими средствами. В эксперименте Рэндольфа также применили новую методику к дейтерию — изотопу водорода, имеющему один протон и один нейтрон, все вместе известный как дейтрон, — в его ядре. Однако точное вычисление размера дейтрона занимало много времени.
Нейтроны
Нейтроны – это нейтральные частицы, которые находятся в ядре атома вместе с протонами. Они не имеют заряда, поэтому их называют нейтральными. Нейтроны имеют массу, примерно равную массе протона, и их количество в ядре определяет массовое число атома.
Нейтроны играют важную роль в стабильности ядра атома. Они помогают удерживать протоны вместе, преодолевая электростатическое отталкивание между положительно заряженными протонами. Благодаря наличию нейтронов, ядро атома становится более стабильным и менее склонным к распаду.
Нейтроны также могут быть вовлечены в ядерные реакции. Они могут быть захвачены другими атомами или испытывать распад, что приводит к изменению элемента и образованию новых атомов.
Электроны
Электроны – это элементарные частицы, которые обращаются вокруг ядра атома. Они имеют отрицательный электрический заряд и очень малую массу по сравнению с протонами и нейтронами.
Электроны находятся в разных энергетических уровнях, которые называются электронными оболочками. Каждая оболочка может содержать определенное количество электронов. Первая оболочка может содержать до 2 электронов, вторая – до 8 электронов, третья – до 18 электронов и так далее.
Электроны внешней оболочки, называемой валентной оболочкой, играют важную роль в химических реакциях. Они могут образовывать связи с электронами других атомов, образуя молекулы. Количество электронов в валентной оболочке определяет химические свойства атома и его способность образовывать связи с другими атомами.
Электроны также могут поглощать или испускать энергию в виде фотонов, что приводит к электромагнитному излучению, такому как свет или радиоволны.
Протоны и нейтроны
Ядро атома состоит из протонов, открытых в 1920 году Эрнестом Резерфордом, и нейтронов, открытых в 1932 году Джеймсом Чедвиком. И протоны, и нейтроны подобны маленьким сферам радиусом 10 -15 м, или квадриллионной метра. Обе частицы каким-то образом склеены в ядре.
Когда атом нагревается, он излучает видимый свет, но когда ядро нагревается, оно испускает гамма-лучи. Гамма в 100 000 или даже в миллион раз более энергична, чем видимый свет. Многие модели пытаются описать поведение частиц ядра, но модель оболочки до сих пор была наиболее успешной. Она помещает протоны и нейтроны в различные энергетические оболочки для описания гамма-излучения. Значит ли это, что протоны и нейтроны — это твердые маленькие шарики?
Внутри протонов и нейтронов
В 1950-х годах наука поняла, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц. Несколько лет спустя, в 1964 году, американский физик Мюррей Гелл-Манн представил кварки. Он не знал, сколько типов кварков существует, но сегодня открыто по крайней мере шесть кварков: верхний (символ u α ), нижний (символ d α ), странный (символ s α ), очарованный (символ c α ), красивый (символ b α ) и истинный (символ t α ).
Верхние и нижние кварки находятся внутри протонов и нейтронов. Остальные четыре имеют очень короткий срок службы и их можно найти только в ускорителях частиц. Протон содержит два верхних кварка и один нижний кварк. С другой стороны, нейтрон имеет один верхний кварк и два нижних кварка. Что держит эти кварки вместе в одной фемтометрической сфере — самая сильная сила обнаружена до сих пор: сильная сила.
Если рассматривать протон как баскетбольный мяч, каждый кварк будет меньше песчинки. Следовательно, большая часть протона и нейтрона также является пустым пространством, в то время как кварки перемещаются со скоростью, близкой к скорости света.
Маленькие ядра удерживают частицы настолько малы, что наше самое мощное и самое точное оборудование не может их видеть. В то же время они обладают самой сильной силой, когда-либо существовавшей в пустых пространствах и сверхмалых частицах, называемых кварками.
Общие вопросы об атомном ядре
Вопрос: Что находится в ядре атома?
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, равный электронам, вращающимся вокруг, а нейтроны не несут заряда, но весят столько же, сколько протоны.
Вопрос: Какова функция ядра атома?
Ядро атома создает силу, необходимую для того, чтобы держать атом вместе и в порядке. Это самая тяжелая часть атома и очень плотная. Размер ядра по отношению ко всему атому подобен мячу на футбольном поле.
Вопрос: Ядро атома нейтрально?
Ядро атома несет положительный электрический заряд. Однако атом нейтрален, поскольку количество электронов с отрицательным зарядом равно количеству протонов в ядре.
Вопрос: В чем разница между ядром и атомом?
Ядро атома — это плотное и тяжелое ядро атома с положительным зарядом. Оно значительно меньше атома, но намного тяжелее его остального.
