Протоните и неутроните - физика в училище
Протоните и неутроните
Протон - сърцевина от водороден атом, най-лекият химичен елемент заема в таблица D. I. Менделеев първо място, и в съответствие с това като в електронна обвивка е само един електрон. Ако йонизиране на водородния атом, който е, извадете един електрон, той остава в основата на което се дължи на липсата на черупката може да се нарече "голи" ядро, както и че ще бъде просто протон (от гръцката дума "Протос" - първата).
Proton - положително заредени частици, и заряда в магнитуд точно равен на заряда на електрона. протон маса се изразява в позиция 1,6-10 -24gramma. Това означава, че масата на хиляди милиони протони в 10-те хиляди пъти по-малко от сто-милионна част от милиграма. И все пак това "елементарни" частици се отнася към категорията на "тежки", защото неговата маса е 1836.6 пъти масата на електрона. Много малки и протонни размери: диаметър 100 до хиляди пъти по-малък от диаметъра на атома на около сто милионна на сантиметър. В резултат на това, плътността на материята протон, въпреки незначително тегло, е огромен. Ако куб с ръб от 1 милиметър успя да запълни тези частици, така че те са напълно заети целия обем, докосване помежду си, а след това ще тежи куб 120,000 тона! Разбира се, в действителност, да извършва такъв експеримент е невъзможно. Протоните, докато подобно заредените частици се отблъскват взаимно и се нуждаят от огромна сила, за да ги направи по-близки. Все пак, има звезди в които има условия, благоприятни за сравнително близо подход на протони един до друг. Тези звезди (например, звезда бани - Маанен в съзвездието Риби) имат изключително висока плътност на материала, въпреки че е, разбира се, един милион пъти по-малък, отколкото в случая, която обмисляме куб, състояща се от един протон.
Фактът, че в състава на атомните ядра, протони влизат, е доказано в резултат на експерименти, проведени през 1919 г. от английския физик Ръдърфорд. В тези експерименти, се използва поток от бързо алфа - частици (т.е., хелий ядра), получена по време на радиоактивното разпадане на радий С при бомбардиране алфа - ядра на частиците от азот беше установено, че последният отделят никакви бързи частици с едновременно емисии в обратна посока на бавен тежки частици. В изследване на това явление в камера за разширение, беше установено, че бързо частици са протони, и бавно - ядрата на кислород. Установено е, че ядрото на азот, улавяне една алфа - частица се превръща в кислород ядро с емисията на протон. Бомбардиране алфа - частици ядра на атоми на други елементи, и потвърждават присъствието на протоните в тези ядра.
Въпреки това, сърцевината (с изключение на водород ядра) не може да се състои само от един протон. Наистина, в основата на хелий атом, който заема второ място в таблицата D. I. Mendeleeva, такса равна на заряд на два протона и маса по-голяма от масата на протонната четири пъти. По същия начин, заряда на ядрото на кислород, се равнява на осем обвинения на протона и масата на ядрото на шестнадесет пъти масата на протона. Обяснението за това несъответствие е установено, след откриването на новите "елементарни" частици - така нареченият неутрона.
През 1930 г., учените са установили, че има емисии от незаредени частици, способни да проникват през слой от олово са относително дебел (до 5 см), когато бомбардирани с алфа-частици на някои елементи (берилий, бор и други). През 1931 г. френски физици Ирен и Фредерик Жолио - Кюри открива, че ако сложиш вещество, чиято молекули съдържат голям брой водородни атоми (например, парафин), а след това да започне да се свали протони в начина на тази радиация.
Човек би се предположи, че новооткритата радиация се състои от фотони. Въпреки това, с цел да бъде в състояние да нокаутирам восъчните протони, тези фотони ще трябва да са енергоспестяващи, на около 50 милиона електрон волта. В последния случай, те ще са проникнали чрез значително по-голяма дебелина на олово, отколкото се наблюдава експериментално (за преминаване на един фотон през 5 см на олово нужда енергия само 5 милиона електрон - волта). Това противоречие е решен в резултат на работата на английския учен Чадуик. Това показва, че се излиза от парафинови протони и ядра излъчвани под действието на неизвестно радиация други атоми се движат, както ако те не се отклони фотон, както и масата на тежки частици, която е приблизително равна на тази на протона. По този начин, на усилията на няколко физици са установили съществуването на незаредени тежки частици - неутронна. неутронна маса през 1839 пъти масата на електрона, но за разлика от протона (и електрона), неговата такса е равна на нула. Ето защо неутроните са способни да проникнат през дебелите слоеве на олово.
Незаредени частици може да влезе атома, без да изпитват всяка отблъскване или привличане от заредени частици (електрони и ядра), и без да се губи своята енергия за преодоляване на действието на електрически сили на йонизация на атома. Следователно, пътя на неутрони, в която - вещество при равни други условия по-дълъг, отколкото, например, протонна. Поради невъзможността да се произвежда неутрон йонизация, че е много трудно да се види каква е причината сравнително късно откриване на частицата.
Откриването на неутрона помогна да разбера защо тегло надвишава теглото на атомните ядра, които те съдържат протони. Съветските учени Д. Д. Иваненко и Е. Г. Gapon изложи идеята на протон - неутронна структурата на ядрата, която сега е общоприето. Според тази гледна точка, е в ядрото на хелий с изключение на два протона, две неутрони, и следователно таксата е равна на два и четири пъти масата на масата на протона (или почти равна на масата на неутрони S). По подобен начин, други ядра освен протони, неутрони настоящото. Когато ядрени разпадания, причинени, например, бързо освобождаване на активната зона на алфа частици, може да се случи емисия на неутрони. Този процес е време и е служил като първата индикация за наличието на последния.
Не е като такса неутрони могат лесно да проникнат не само в атома, но дори и във вътрешността на ядрото. Хит неутронна в ядрото на тежко олово в някои случаи до унищожаването на последните, което води до образуването на по-леки ядра и пусна доста значителна част от ядрената енергия. свойствата на неутроните да произвеждат ядрени разпадания се използват за производството на атомно (това би било по-добре да се каже - ядрен) енергия.
Най-проникваща способност на неутрони, заедно с възможността да унищожат ядрото ги прави опасни ефекти върху живите същества. Достатъчно мощен неутронен поток удря вътрешните части на тялото, релеф на бързо протони ядра и други заредени частици, които йонизиращо срещат по пътя си атоми на сложни органични молекули, насърчаване на разлагане на последния и по този начин прекъсването на жизнената дейност на растение или животно. Въпреки това, най-разрушителни свойства на неутрони могат да се използват за благото на народа. В крайна сметка, с помощта на тези частици учени са открили по-рано недостъпни естествен съхранение на ядрената енергия: разделяне на ядрото, неутрони, освобождавайки енергия, която имаме в Съветския съюз вече се използва за мирни цели. Освен това, някои химични елементи след неутрони бомбардиране превърнати в изкуствено радиоактивно вещество намери все широко в медицината, в изучаване активност на метод организми радиоактивен изотоп, в техниката, и така нататък. Н.
В момента има много начини за производство на неутрони, необходими за различни изследвания по ядрена физика и за редица практически приложения. Най-старият от тези методи е производството на така наречените радий - берилий източник. Флаконът стъкло се пълни или метален прах се смесва с берилий всяка радий сол (например, радий бромид). По време на радиоактивното разпадане на ядра на радий се отделят алфа-частици, които взаимодействат с ядра на берилий, извадят от тези неутрони. Минало поради високата проникваща способност на свободно преминават през стените на кръвоносните съдове.
След изобретението на специални устройства - ускорител (циклотрон, synchrocyclotron, протон синхротрон, и т.н.), докладване зареден високо енергийни частици, е възможно да се получи неутрони изкуствено. За тази цел лъч ускорено в циклотрон или подобна машина на тежки заредени частици, например, деутерони (тежък водород ядра) е насочена към мишена, изработен от дадено вещество (например, литий). В резултат на ядрата на целевите атоми разпръснати неутрони. Чрез промяна на енергията на обстрелват мишена, "черупки", можете да получавате различни енергийни неутрони.
Друг мощен източник на тежки частици са незаредени ядрени реактори (котли), при които реакциите на делене верига се извършват тежки ядра. Това води до образуването на голям брой неутрони, идващи от котела към външната страна.
Неутроните както и други "елементарни" частици (електрони, протони), имат вълнови свойства. неутрони лъч, като светлина (фотонен поток) 3, се подлага на анализ, дифракция, поляризирана и т. Н. Поради тежки незаредени частици могат да бъдат използвани за проучване на структурата на кристали (от радиографски им неутрони лъч), както и Х-лъчи се използват. Някои трудност е откриване на неутрони, защото те не произвеждат йонизация и следователно не може да се разглежда като те преминават през камерата за облак, брояч, йонизация камера имам други устройства обикновено се използват за откриване и преброяване на заредени частици. Не оставят следи в фотографски емулсии и неутрони. Въпреки неутрони имот унищожи ядра индуцират ядрени реакции ни дава метод за регистрация на тези частици. В конвенционален йонизация камера или брояч добавя газ, съдържащ бор ядро. Неутроните смилат с тези ядра, излъчените алфа частици, които създават разряди в брояча или йонизация ток в камерата, което позволява да се определи неутронния поток. Тя може да се използва за откриване на неутрони емулсии, за които литиева сол се смесва или бар. След контакт с неутрони в ядрото на атома - всеки от тези елементи настъпва разделяне ядра с емисията на бързо зарежда писта на частиците, който се вижда в емулсията.
Въпреки факта, че между протоните и неутроните, е налице съществена разлика е липсата на такса в миналото, и по други начини, те са много сходни помежду си. Масите на тези частици е почти точно равни и тяхното поведение в ядро (ядрено количеството и естеството на силите, действащи между протони, неутрони и между между двете) е приблизително същата. Фактът, че протоните например като заредените частици в ядрото трябва да се отблъскват един от друг. Тъй като всички ядрото съществува под формата на стабилни образувания, очевидно е, че протоните се провеждат в тях с някаква сила по-голяма от електростатичните сили на отблъскване. Установено е, че тези специфични ядрени сили действат не само между протоните и между неутрони, но също се свързват един към друг частици от двете от тези видове. Това означава, че протони и неутрони някои взаимодействат един с друг (въпреки че физическата природа на това взаимодействие не е изяснен). Учените са установили, че и двете частиците могат да бъдат превърнати едно в друго. По този начин, в сърцевината среща в протонната неутронен конверсия с емисията на отрицателно заредени електрони и друга светлина незаредени частици неутрино (неутрино тегло по-малко от 1: 400 електрон маса). Има и друг процес: протона в ядрото превръща в неутрон с емисията на положително зареден електрон (позитрон) и неутриното. Всички тези явления, наблюдавани в упадъка на някои радиоактивни ядра, получили едно общо име - бета разпад.
От гледна точка на теорията на бета - гниене неутрон и протон не се различава: както и един в друг. Поради тази причина, двете частици често са наричани просто като нуклоните. Следва обаче да се подчертае, че ако в основата на всички нуклоните се държат във връзка с бета разпад на едни и същи, в свободно състояние, извън ядрото, протоните и неутроните имат различни свойства. Самата Proton - стабилна, или както се казва по друг начин, стабилна частица, а свободен неутрон спонтанно се разпада с период на полуразпад от около 20 минути. По този начин се превръща в протонен и излъчва като разпад в ядрото, електрон и неутрино.
Разликата между протон и неутрон в свободно състояние се дължи на няколко причини. Един от тях е, че за превръщането на протон в неутрон е необходимо да се изразходва значителна енергия (най-малко по-голяма от 1,9 милиона електронни - волта). Тъй като свободни протони къде да заеме тази енергия, и то е стабилна частица. Като неутрони, тя има по-голяма маса от протон, и следователно, голям резерв от енергия. При трансформацията на неутрони в протонен се освобождава около 800,000 електронволта на енергия. Ето защо, свободни неутрони са различни имот радиоактивност.
Протони, неутрони, неутрино, както и фотони и електрони се случват в космическите лъчи. По-специално, протоните съставляват т.нар основният компонент на космическа радиация, т.е. дошли на Земята от междузвездното пространство. Разбира се, неутроните, които са в свободно състояние се превръщат в протони не може да присъства в първичната радиация. Въпреки това, те са оформени в атмосфера на първични сблъскване протони (и по-тежки ядра) с ядра на азотни атоми, кислородни и други въздушни газове обвивка на нашата планета. Протони космически лъчи имат огромна енергия и следователно може, въпреки наличието на положителен заряд, че е лесно да проникнат в ядрата на атомите. В сблъсъка на нуклоните имат гигантски енергийни процеси се провеждат, които не се наблюдава при взаимодействието на нуклоните по-ниска енергия. Например, когато такъв сблъсък се случва на нови частици - мезони различни маси.
Описаната по-горе факти нуклон взаимодействието не означава в ядрото, ако неутрона състои от протон и електрон, или, обратно, протона съдържа неутронен и позитрон. долната линия - бета разпад се крие във факта, че неутрона се трансформира в три други частици (протони, електрони, неутрино) или протон превръща в неутрон, позитрон и неутрино. Тези процеси се случват в строго съответствие със законите на запазване на енергията, маса, инерция, заряд, и т. П. и убедителни доказателства за променливостта на "елементарни" частици и наличието на дълбока връзка между тях.