Ядра атомов: в самом сердце материи

https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/the-structure-of-matter/the-nuclei-of-atoms-at-the-heart-of-matter/
  • Перевод

Рис. 1

Ядро атома получается крохотным, его радиус в 10 000–100 000 раз меньше всего атома. Каждое ядро содержит определённое количество протонов (обозначим его Z) и определённое количество нейтронов (обозначим его N), скреплённых вместе в виде шарика, по размеру не сильно превышающего сумму их размеров. Отметим, что протоны и нейтроны вместе часто называют «нуклонами», а Z+N часто называют A – общее количество нуклонов в ядре. Также Z, «атомное число» – количество электронов в атоме.

Типичное мультяшное изображение атома (рис. 1) чрезвычайно преувеличивает размер ядра, но более-менее правильно представляет ядро как небрежно соединённое скопление протонов и нейтронов.

Содержимое ядра


Откуда нам известно, что находится в ядре? Эти крохотные объекты просто охарактеризовать (и это было просто исторически) благодаря трём фактам природы.

1. Протон и нейтрон отличаются по массе всего лишь на тысячную часть, так что если нам не нужна чрезвычайная точность, можно сказать, что у всех нуклонов масса одинакова, и назвать её массой нуклона, mнуклон:

mпротон ≈ mнейтрон ≈ mнуклон

(≈ означает «примерно равно»)

2. Количество энергии, необходимой для удержания вместе протонов и нейтронов в ядре, относительно мало – порядка тысячной доли части энергии массы (E = mc2) протонов и нейтронов, так что масса ядра почти равна сумме масс его нуклонов:

Mядро ≈ (Z+N) × mнуклон

3. Масса электрона равняется 1/1835 массы протона – так что почти вся масса атома содержится в его ядре:

Mатом ≈ Mядро

Тут подразумевается наличие четвёртого важного факта: все атомы определённого изотопа определённого элемента одинаковы, как и все их электроны, протоны и нейтроны.

Поскольку в самом распространённом изотопе водорода содержится один электрон и один протон:

Mводород ≈ mпротон ≈ mнуклон

масса атома Mатом определённого изотопа просто равна Z+N, помноженному на массу атома водорода

Mатом ≈ Mядро ≈ (Z+N) × mнуклон ≈ (Z+N) × Mводород

и погрешность этих уравнений примерно равна 0,1%.

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, электрический заряд Qядро ядра просто равен количеству протонов, помноженному на электрический заряд протона («e»):

Qядро = Z × Qпротон = Z × e

В отличие от предыдущих уравнений, это уравнение выполняется точно.

Подытожим:

Z = Qядро / e
A = Z + N ≈ Mатом / Mводород

Эти уравнения проиллюстрированы на рис. 2


Рис. 2

Используя открытия последних десятилетий XIX века и первых десятилетий XX, физики знали, как измерить в эксперименте оба обозначенных красным значения: заряд ядра в e, и массу любого атома в атомах водорода. Так что эти значения были известны уже в 1910-х. Однако правильно интерпретировать их смогли только в 1932 году, когда Джеймс Чедвик определил, что нейтрон (идею которого предложил Эрнест Резерфорд в 1920-м) является отдельной частицей. Но как только стало понятно, что нейтроны существуют, и что их масса практически равна массе протона, сразу же стало ясно, как интерпретировать числа Z и N — количество протонов и нейтронов. А также сразу родилась новая загадка – почему у протонов и нейтронов почти одинаковая масса.

Честно говоря, физикам того времени с научной точки зрения страшно повезло, что всё это было так легко установить. Закономерности масс и зарядов настолько просты, что даже самые долгие загадки были раскрыты сразу после открытия нейтрона. Если бы хотя бы один из перечисленных мною фактов природы оказался неверным, тогда на то, чтобы понять, что происходит внутри атомов и их ядер, ушло бы гораздо больше времени.


Рис. 3

К сожалению, с других точек зрения было бы гораздо лучше, если бы всё оказалось сложнее. Вряд ли можно было подобрать худший момент для этого научного прорыва. Открытие нейтрона и понимание структуры атома совпало с мировым экономическим кризисом, известным, как Великая Депрессия, и с появлением нескольких авторитарных и экспансионистских правительств в Европе и Азии. Быстро началась гонка ведущих научных держав в области понимания и получения энергии и оружия из ядра атома. Реакторы, выдающие ядерную энергию, были получены всего за десять лет, а за тринадцать – ядерное оружие. И сегодня нам приходится жить с последствиями этого.

Откуда нам известно, что ядро атома маленькое?


Одно дело – убедить себя, что определённое ядро определённого изотопа содержит Z протонов и N нейтронов; другое – убедить себя, что ядра атомов крохотные, и что протоны с нейтронами, будучи сжатыми вместе, не размазываются в кашу и не разбалтываются в месиво, а сохраняют свою структуру, как подсказывает нам мультяшное изображение. Как это можно подтвердить?

Я уже упоминал, что атомы практически пусты. Это легко проверить. Представьте себе алюминиевую фольгу; сквозь неё ничего не видно. Поскольку она непрозрачная, вы можете решить, что атомы алюминия:
1. Настолько крупные, что между ними нет просветов,
2. Настолько плотные и твёрдые, что свет сквозь них не проходит.

Насчёт первого пункта вы будете правы; в твёрдом веществе между двумя атомами почти нет свободного пространства. Это можно наблюдать на изображениях атомов, полученных при помощи особых микроскопов; атомы похожи на маленькие сферы (краями которых служат края электронных облаков), и они довольно плотно упакованы. Но со вторым пунктом вы ошибётесь.


Рис. 4

Если бы атомы были непроницаемыми, тогда сквозь алюминиевую фольгу ничто не смогло бы пройти – ни фотоны видимого света, ни рентгеновские фотоны, ни электроны, ни протоны, ни атомные ядра. Всё, что вы направили бы в сторону фольги, либо застревало бы в ней, либо отскакивало бы – точно так же, как любой кинутый объект должен отскочить или застрять в гипсокартонной стенке (рис. 3). Но на самом деле электроны высокой энергии легко могут пройти через кусочек алюминиевой фольги, как и рентгеновские фотоны, высокоэнергетические протоны, высокоэнергетические нейтроны, высокоэнергетические ядра, и так далее. Электроны и другие частицы – почти все, если точнее – могут пройти через материал, не потеряв ни энергии, ни импульса в столкновениях с чем-либо, содержащимся внутри атомов. Лишь малая часть их ударится об атомное ядро или электрон, и в этом случае они могут потерять большую часть своей начальной энергии движения. Но большая часть электронов, протонов, нейтронов, рентгеновских лучей и всякого такого просто спокойно пройдут насквозь (рис. 4). Это не похоже на швыряние гальки в стену; это похоже на швыряние гальки в сетчатый забор (рис. 5).


Рис. 5

Чем толще фольга – к примеру, если складывать всё больше и больше листов фольги вместе – тем вероятнее частицы, запущенные в неё, столкнуться с чем-либо, потеряют энергию, отскочат, изменят направление движения или даже остановятся. То же было бы верно, если бы вы наслаивали одну за другой проволочные сетки (рис. 6). И, как вы понимаете, из того, насколько далеко средняя галька может проникнуть сквозь слои сетки и насколько велики разрывы в сетке, учёные могут подсчитать на основании пройденной электронами или атомными ядрами дистанции, насколько атом пустой.


Рис. 6

Посредством таких экспериментов физики начала XX века установили, что внутри атома ничто – ни атомное ядро, ни электроны – не может быть большим, чем одна тысячная миллионных миллионных долей метра, то есть в 100 000 раз меньше самого атома. То, что такого размера достигает ядро, а электроны по меньшей мере в 1000 раз меньше, мы устанавливаем в других экспериментах – например, в рассеянии высокоэнергетических электронов друг с друга, или с позитронов.

Чтобы быть ещё более точным, следует упомянуть, что некоторые частицы потеряют часть энергии в процессе ионизации, в котором электрические силы, действующие между летящей частицей и электроном, могут вырвать электрон из атома. Это дальнодействующий эффект, и столкновением на самом деле не является. Итоговая потеря энергии значительна для летящих электронов, но не для летящего ядра.

Вы можете задуматься над тем, похоже ли то, как частицы проходят сквозь фольгу, на то, как пуля проходить сквозь бумагу – расталкивая части бумаги в стороны. Возможно, первые несколько частиц просто расталкивают атомы в стороны, оставляя большие отверстия, через которые проходят последующие? Мы знаем, что это не так, поскольку мы можем провести эксперимент, в котором частицы проходят внутрь и наружу контейнера, сделанного из металла или стекла, внутри которого вакуум. Если бы частица, проходя через стенки контейнера, создавала отверстия по размеру превышающие атомы, тогда внутрь устремились бы молекулы воздуха, и вакуум бы исчез. Но в таких экспериментах вакуум остаётся!

Также довольно легко определить, что ядро – это не особенно структурированная кучка, внутри которой нуклоны сохраняют свою структуру. Об этом уже можно догадаться по тому факту, что масса ядра очень близка к сумме масс содержащихся в нём протонов и нейтронов. Это выполняется и для атомов, и для молекул – их массы почти равны сумме масс их содержимого, кроме небольшой коррекции на связывающую энергию – и это отражено в том факте, что молекулы довольно легко разбить на атомы (к примеру, нагрев их так, чтобы они сильнее сталкивались друг с другом), и выбить электроны из атомов (опять-таки, при помощи нагрева). Сходным образом относительно легко разбить ядра на части, и этот процесс будет называться расщеплением, или собрать ядро из более мелких ядер и нуклонов, и этот процесс будет называться синтезом. К примеру, относительно медленно двигающиеся протоны или небольшие ядра, сталкивающиеся с более крупным ядром, могут разбить его на части; нет необходимости, чтобы сталкивающиеся частицы двигались со скоростью света.


Рис. 7

Но чтобы понять, что это не является неизбежным, упомяну, что этими свойствами не обладают сами протоны и нейтроны. Масса протона не равняется примерной сумме масс содержащихся в нём объектов; протон нельзя разбить на части; а для того, чтобы протон продемонстрировал что-нибудь интересное, необходимы энергии, сравнимые с энергией массы самого протона. Молекулы, атомы и ядра относительно просты; протоны и нейтроны чрезвычайно сложны.
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама
Комментарии 49
  • +3
    Для того чтобы протон мог показать что нибудь интересное, нужно сообщить ему что нибудь интересное
  • 0
    Всегда удивляло равенство зарядов протона и электрона. Ведь не обязательно во вселенной должно было быть так. Могло бы сложиться, к примеру, что два заряда протона уравновешивали бы три заряда электрона, и получились бы совсем другие атомы.
    • +1
      интересно, возможно ли сконструировать абстрактный мир, в котором единица положительного заряда и единица положительного заряда относились друг к другу как -π (пи), например, или i*√2.
      И как бы выглядела квантовая физика в таком мире
      • +2
        Я так понимаю, атомы в подобном мире не смогли бы образоваться, так как атом должен быть нейтральным, для этого заряды протонов и электронов должны уравновешивать друг друга. То есть в какой-то комбинации N протонов * M электронов суммарный заряд должен быть равным нулю (где M и N — целые числа, разумеется)
        • 0
          Так есть три вида атомов: положительный, отрицательный, нейтральный. По количеству протонов и электронов друг к другу.
          • 0
            Стабильности не будет. Положительных будет тянуть к отрицательным. По факту это будут не атомы, а ионы.
            • +1

              Ну, это всего лишь означает что в химии было бы больше ионных связей.

          • –1
            Но зато ионы смогли бы.
            Интересно, имого ли можно создать с помощью одних лиш ионов?
            • 0
              Возможно, образовались бы какие-то другие структуры… Мы ограничиваем себя тем, что наблюдаем…
              • +1
                Атом должен быть нейтральным по крайней мере в такой степени, что бы отталкивание атомов не компенсировало гравитацию на масштабах от скоплений галактик до по крайней мере размера размера звезды с возрастом 700 миллионов лет.
                Ну и любые реакции типа синтеза гелия из протия должны выполнять закон сохранения заряда (законы сохранения барионного и лептонного заряда кажется не имеют теоретического обоснования).
              • 0
                Очень интересный роман Айзека Азимова «Сами боги» на такую научно-фантастическую тему есть) Советую)
                • 0

                  Разве там были разные заряды у протона и электрона? Насколько я помню, там были другие соотношения между электромагнитным и сильным взаимодействиями.

                  • 0
                    Да, фантастическое соотношение ядерных и электромагнитных сил давало существовать химическому элементу с аномально большой (или малой — не помню) массой как для своего заряда.
                    • 0
                      Там оба варианта было — по одну сторону вселенная со сверхтяжёлыми элементами, по другую где ничего кроме протия.
              • 0
                Но если взять единицу из одного нуля и дать другому, то получится точно -1 и +1.
              • 0
                А из чего состоят протоны и нейтроны?
                • +1
                  из u и d кварков
                  • 0
                    а кварки из чего?
                    • +1
                      1. Все состоит из энергии
                      2. Иерархическую структуру, которую по мнению ученых представляет из себя энергия, называют определенными терминами, такими как атомы, электроны, протоны, нейтроны, кварки, глюоны, фотоны и т.д., включая так называемые «поля», например, магнитное и электрическое.
                      3. Все, что написано выше, лишь способ вообразить структуру наблюдаемых объектов, именно поэтому возникают проблемы на уровне воображения при квантовых эффектах — наш инструмент образного мышления становится менее и менее применим, относительно чистой математики.
                      4. Важно понять, что все теории не являются абсолютной истиной и представляют собой лишь определенный взгляд, способ интерпретации действительности. Вероятно, существует значительно более изящная теория, включающая более экзотические элементы, относительно существующих понятий, которая будет обладать еще большей предсказательной способностью, чем все существующие сегодня вместе взятые.

                      Понимаете суть сказанного?

                      Не кварки, электроны или что-либо еще является сутью, а именно модель, которая описывает реальность, и уже в рамках модели, формируются абстрактные объекты (мысленные), которые мы наделяем определенными свойствами.

                      Если вам кажется, что это не так, то можно изучить информацию о проблеме размерностей объектов. О проблемах неопределенностей этих объектов. Это целый теоретический мир, в котором существует целый «зоопарк». Ученые пытаются смоделировать картину реальности, иногда вводя дополнительные, кажущиеся логичными, структуры или объекты, еще не обнаруженные, и именно их обнаружение (точнее обнаружение косвенных признаков, указывающих на применимость придуманных структурных элементов) дает ученым основания для подтверждения триумфа научной мысли.
                      • 0
                        Считается что они единицы материи, минимально возможное возмущение поля которое способно образовать частицу (есть возмущения еще меньше, они создают энергию пустого пространства, но на создании именно частицы этой энергии не хватает). Но, если я не ошибаюсь, стандартная модель допускает, чтои они могут из чего-то состоять, но тогда эти составные «элементы» меньше того предела, что мы способны «разглядеть» на текущий момент
                        • 0
                          я к тому, что получается, что материя не материальна. Минимальные её частицы — это
                          минимально возможное возмущение поля которое способно образовать частицу

                          так?
                          • 0
                            Это уже вопрос понятий, как тут писали, человеческий язык не очень точно подходит для этого дела и часто вводят в тупик, но вот именно формулами это все хорошо описывается
                            • 0

                              Поле — это форма материи, то есть поле материально.

                          • 0
                            за ответ на этот вопрос с большой вероятностью дадут Нобелевку
                          • –2
                            Есть одно интересное совпадение: если предположить, что протон это две маленькие чёрные дыры которые быстро вращаются друг вокруг друга и посчитать по формулам ОТО какими свойствами будет облать такой протон, то окажется, что совпадут многие свойства. Но многие свойства не совпадут или будет непонятно откуда они берутся. Аналогично считали для электрона: какие то свойства элетрона, которые сейчас считают глобальными случайно выбранными константами, вдруг с удивительной точностью вылезают из формул ОТО, но многие другие свойства либо не совпадают либо по прежнему необъяснимы. Одна из подобных статей: arxiv.org/pdf/1403.1375.pdf Да, к чему я вообще клоню. К тому, что эти самые u и d кварки могут быть абстракцией — примерно как волна состоит из верхнего и нижнего «закругления» но эти «закругления» вовсе не самостоятельные объекты на которые можно разделить волну.
                            • 0
                              Только вот черные дыры меньше планковской массы пока не обнаружены и не факт, что физики знают, как их описывать.
                            • +2
                              Если быть более точным, то протон состоит из этакого месива пар кварк-антикварк (причём не только верхний-антиверхний, но и, например, странный-антистранный), но таким образом, чтобы определённый момент времени существования протона в нём было два неспаренных верхних кварка (то есть к которым нет антиверхних) и один неспаренный нижний, и при этом суммарный цветовой заряд этих неспаренных uud-кварков был белый.
                              • +2
                                Там внезапно возникают и пары топ-анитоп, но в любом неподвижном протоне их в среднем << 1/2/184.
                                Если там и возникнут при разгоне более реальная пара странный-антистранный, то ещё есть вероятность того, что при столкновении протонов ни один странный кварк не встретит антистранного.
                          • +2
                            И сегодня нам приходится жить с последствиями этого.

                            То есть с тем, что нет войн между странами с ядерным оружием? Отличное ведь последствие, если вы живете не в стране на территорию которой вынесены разборки. :-)
                            • –1

                              Кто может объяснить, что такое электрический заряд, и почему электрически заряженная частица притягивает к себе частицу с противоположным зарядом и отталкивает — с одноимённым? Как они "чувствуют" друг друга на расстоянии?
                              И почему существует запрет Паули на одинаковый спин двух электронов на одной орбите? Чего им на ней не хватает, и чего хватает, если у одного электрона спин противоположный?
                              И как одна масса "чувствует" гравитацию другой массы?
                              Что электрические, магнитные и гравитационные заряды делают с окружающим пространством?


                              Наверное, они все его как-то по-своему меняют, меняют его свойства, и на перемену его свойств соответственно реагируют соседние с ними заряды. То есть всё это указывает на материальность пространства, что оно не является абсолютной аристотелевской пустотой. И не является математической абстракцией — полями условных виртуальных частиц, метрикой разной кривизны. Эти абстракции — лишь способы описания свойств пространства и взаимодействий в нём частиц и тел. Поэтому само пространство — это нечто другое. Это некая физическая среда, ныне называемая "физический вакуум". Это вездесущая среда, она находится и внутри тел и в космическом пространстве, раньше её называли "эфиром".


                              Ну, поменяли название, и ладно, лишь бы это помогло понять свойства этой среды, её природу и точнее описывать взаимодействия в ней частиц и тел. С описанием вроде всё в порядке: в космологии есть LCDM-модель на основе ОТО, в физике частиц есть Стандартная модель на основе КТП. Правда, их оценки энергетической плотности среды (L), имеющей антигравитационное проявление в межгалактических масштабах, разнятся на 120 порядков. И частицы тёмной материи (CDM) пока не открыты, и поэтому им не нашли места в Стандартной модели.


                              Но по отдельности обе теории достаточно точные. Их предсказания точны, как, например, были точны предсказания координат планет, рассчитанных по эпициклам в геоцентрической системе Птолемея. Такую точность не могли достичь сторонники гелиоцентрической системы с круговыми орбитами планет- фрики Коперник, Галилей, Бруно. Однако мы знаем дальнейший ход истории. Поэтому должны сознавать, что точность описания взаимодействий частиц и тел не гарантирует точного понимания сути взаимодействий и природы среды, в которой они совершаются. А наоборот, провоцирует подменить их математическими абстракциями, которые к тому же не согласуются друг с другом. И если физики будут поддаваться на эту провокацию, то первыми суть вещей познают философы.

                              • +1
                                Подмена математическими абстракциями является не прихотью, а необходимостью, так как мы не можем наблюдать естественным для нас образом объекты, о которых рассуждаем. Вся информация собирается косвенно через детекторы, а эмпирические данные образуют необходимый статистический массив для построения мысленных абстрактных моделей, которые лишь коррелируют с некоторыми проявлениями недоступной нашему нативному восприятию реальностью. Такие модели называются теориями, так как обладают предсказательной силой при определенных условиях.

                                P.S. Мы не постигаем суть вещей, мы ее в прямом смысле слова придумываем, основываясь на единственно возможном экспериментальном наблюдении. Все остальное в чистом виде мысленное моделирование. Мы формируем «виртуальную» модель мира, на основе математики, которая является способом познания нашим сознанием потока субъективного восприятия. Мы возвели это в абсолют при построении теорий, которые сравниваем через точность («предсказательную силу»).
                              • 0
                                Так и не понятно, протоны с нейтронами в ядре действительно образуют шарообразную массу и с чего это взяли? Может они выстраиваются в цепочку (виде в Советском познавательном фильме)?
                                • +2
                                  Об этом в следующей статье.
                                  • +1

                                    Если бы они выстраивались в цепочку — то взаимодействие между соседними элементами цепочки должно было бы быть сильнее чем между дальними. В таком случае условия стабильности атомного ядра требовали бы примерно одинакового соотношения протонов и нейтронов для разных элементов. Но оптимальное соотношение для легких и тяжелых элементов отличается.

                                    • +1
                                      Протон и нейтрон в ядре дейтерия описываются комбинацией s- и d-орбитали. Действительно близко к шару, а не 2 шарика, как я когда-то думал.
                                      • 0
                                        На s-орбиталь в ядре должно влезать два протона и два нейтрона (т.е. ядро гелия)
                                        • 0
                                          Это понятно, обычная теория оболочек.
                                          Но дейтрон, как и пи-0 и другие мезоны можно описать комбинацией разных состояний: ссылка.
                                          • 0
                                            Ну возбуждённые состояния никто не отменял… а если у них ещё и энергоуровень сходный — то состояния будут осциллировать.
                                            • 0
                                              Как я понял, сходные состояния у пи-0 мизона, по этому у него нет отдельных состояний как разных частиц. А вот фи-мезон уже может быть «чистым» состоянием s-anti-s, в отличии от «смешанных» эта-мезонов.
                                    • 0
                                      Подскажите, пожалуйста, а сравнимы ли порядки величин в системе «ядро атома — электроны» и системе «Солнце — планеты»?
                                      Например, пропорциональны ли расстояния от ядра до электронов и расстояния от Солнца до планет? Можно ли сопоставить размеры ядра с размером Солнца, их энергии, скорости и т.п.? Заранее извиняюсь, если вопрос наивный.
                                      Есть ли где можно почитать про это?
                                      • +3
                                        Вот у этого автора и читайте.
                                        Электроны — не планеты. Электронное облако окружает ядро, и в нём электроны размазаны.
                                        • 0
                                          нет, не сравнимы. диаметр электронов меньше диаметра ядра минимум в 10000 раз, а диаметр земли меньше диаметра солнца в 36 раз. Электроны размазаны по орбиталям, а планеты летают по орбитам. Скорость электронов не определена, скорость планеты точно известна.
                                          • 0
                                            диаметр электронов меньше диаметра ядра минимум в 10000 раз

                                            Пруф?
                                            • 0
                                              Электроны размазаны по орбиталям
                                              «Размазаны» они потому, что слишком быстро движутся для наблюдателя и нет методов точного определения положения в момент времени? Если так, то у нас получается просто нет статистических данных, чтобы провести аналогию или я не прав?
                                              • 0

                                                Нет, они именно что "размазаны": электрон существует в атоме в виде стоячей волны. Если бы он двигался подобно планете — он бы излучал электромагнитные волны, терял энергию и в итоге упал бы на ядро.

                                                • 0
                                                  Квантмех говорит, что любая частица находится в той или иной точке пространства с опреедленной вероятностью. Не находится она только внутри бесконечно высокого потенциального барьера. Для применимости классической механики есть факт, что она работает как хорошее приближение на траекториях, при которых действие >> h-приведенное.
                                                  • 0
                                                    Статистические данные как раз есть — если ткнуть в определённую точку атома то там с некой вероятностью наткнёшься на электрон.

                                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.