نوترون یا پروتون کدام بزرگتر است؟ ساختار اتم ها - ذرات بنیادی ماده، الکترون ها، پروتون ها، نوترون ها

پروتون یک ذره پایدار از کلاس هادرون ها، هسته اتم هیدروژن است.

دشوار است که بگوییم کدام رویداد را باید کشف پروتون در نظر گرفت: از این گذشته، به عنوان یک یون هیدروژن، برای مدت طولانی شناخته شده است. ایجاد یک مدل سیاره ای از اتم توسط E. Rutherford (1911)، کشف ایزوتوپ ها (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) و مشاهده هسته های هیدروژن حذف شده از هسته ها توسط ذرات آلفا در کشف نیتروژن پروتون نقش داشتند (E. Rutherford, 1919). در سال 1925، پی بلکت اولین عکس‌ها را از آثار پروتون در یک محفظه ابر دریافت کرد (به آشکارسازهای تشعشع هسته‌ای مراجعه کنید)، که کشف تبدیل مصنوعی عناصر را تأیید می‌کرد. در این آزمایش ها، ذره β توسط یک هسته نیتروژن گرفته شد که یک پروتون ساطع کرد و به ایزوتوپ اکسیژن تبدیل شد.

پروتون ها همراه با نوترون ها هسته اتمی همه را تشکیل می دهند عناصر شیمیاییو تعداد پروتون های هسته، عدد اتمی یک عنصر معین را تعیین می کند. یک پروتون دارای بار الکتریکی مثبت برابر با بار اولیه است، یعنی. قدر مطلقبار الکترون این به صورت تجربی با دقت 10-21 آزمایش شده است. جرم پروتون mp = (938.2796 ± 0.0027) MeV یا ~ 1.6-10-24 گرم، یعنی یک پروتون 1836 بار سنگین تر از یک الکترون است! با نقطه مدرناز منظر، پروتون یک ذره بنیادی واقعی نیست: از دو کوارک u با بار الکتریکی +2/3 (بر حسب واحد بار اولیه) و یک کوارک d با بار الکتریکی 1/3- تشکیل شده است. کوارک ها با تبادل ذرات فرضی دیگر - گلوئون ها، کوانتوم های میدانی که برهم کنش های قوی را انجام می دهند، به هم متصل می شوند. داده‌های حاصل از آزمایش‌هایی که در آن فرآیندهای پراکندگی الکترون روی پروتون‌ها در نظر گرفته شد، در واقع وجود مراکز پراکندگی نقطه‌ای در داخل پروتون‌ها را نشان می‌دهد. این آزمایش‌ها از یک جهت بسیار شبیه به آزمایش‌های رادرفورد است که منجر به کشف هسته اتم شد. پروتون که یک ذره مرکب است، اندازه محدودی بین 10-13 سانتی متر دارد، اگرچه، البته، نمی توان آن را به عنوان یک توپ جامد نشان داد. در عوض، پروتون شبیه یک ابر با یک مرز فازی است که از ذرات مجازی ایجاد شده و نابود شده تشکیل شده است. بنابراین. برهمکنش های قوی پروتون ها و نوترون ها را در هسته ها متصل می کنند، برهمکنش های الکترومغناطیسی پروتون ها و الکترون ها را در اتم ها متصل می کنند. نمونه هایی از برهمکنش های ضعیف عبارتند از فروپاشی بتا یک نوترون یا تبدیل درون هسته ای یک پروتون به یک نوترون با گسیل یک پوزیترون و نوترینو (برای یک پروتون آزاد چنین فرآیندی به دلیل قانون بقا و تبدیل انرژی غیرممکن است، از آنجایی که نوترون جرم کمی بزرگتر دارد). اسپین پروتون 1/2 است. هادرون های دارای اسپین نیم عدد صحیح باریون نامیده می شوند (از کلمه یونانی، به معنای "سنگین"). باریون ها شامل پروتون، نوترون، هایپرون های مختلف (?، ?، ?،؟) و تعدادی از ذرات با اعداد کوانتومی جدید هستند که بیشتر آنها هنوز کشف نشده اند. برای توصیف باریون ها معرفی شده است شماره ویژه- بار باریون، برابر با 1 برای باریون ها، - 1 - برای آنتی باریون ها و O - برای همه ذرات دیگر. باریون منبع میدان باریون نیست، بلکه فقط برای توصیف الگوهای مشاهده شده در واکنش با ذرات معرفی شده است. این الگوها در قالب قانون بقای بار باریون بیان می شوند: تفاوت بین تعداد باریون ها و پادباریون ها در سیستم در هر واکنشی حفظ می شود. حفظ بار باریون، تجزیه پروتون را غیرممکن می کند، زیرا سبک ترین باریون است. این قانون ماهیت تجربی دارد و البته باید به صورت تجربی آزمایش شود. دقت قانون بقای بار باریون با پایداری پروتون مشخص می شود، تخمین تجربی برای طول عمر آن مقداری کمتر از 1032 سال به دست می دهد.

در عین حال، نظریه هایی که همه انواع برهمکنش های بنیادی را ترکیب می کنند، فرآیندهایی را پیش بینی می کنند که منجر به اختلال در بار باریون و فروپاشی پروتون می شود. طول عمر یک پروتون در چنین تئوری هایی خیلی دقیق نشان داده نشده است: تقریباً 2±1032 سال. این زمان بسیار زیاد است، چندین برابر بیشتر از وجود کیهان است (~ 2 * 1010 سال). بنابراین پروتون عملاً پایدار است که تشکیل عناصر شیمیایی و در نهایت پیدایش حیات هوشمند را ممکن کرد. با این حال، جستجو برای واپاشی پروتون اکنون نشان دهنده یکی از موارد است مهمترین وظایففیزیک تجربی با طول عمر پروتون ~ 1032 سال در حجم آب 100 متر مکعب (1 متر مکعب حاوی ~ 1030 پروتون)، باید یک فروپاشی پروتون در سال انتظار داشت. تنها چیزی که باقی می ماند ثبت این زوال است. کشف واپاشی پروتون گام مهمی در جهت درک صحیح از وحدت نیروهای طبیعت خواهد بود.

نوترون یک ذره خنثی متعلق به کلاس هادرون ها است. در سال 1932 توسط فیزیکدان انگلیسی J. Chadwick کشف شد. نوترون ها همراه با پروتون ها بخشی از آن هستند هسته های اتمی. شارژ الکتریکینوترون qn برابر با صفر است. این با اندازه گیری مستقیم بار ناشی از انحراف یک پرتو نوترونی در میدان های الکتریکی قوی تأیید می شود که نشان داد |qn|<10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.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.

نوترون ها فقط در هسته های اتمی پایدار پایدار هستند. نوترون آزاد ذره ای ناپایدار است که به پروتون (p)، الکترون (e-) و پادنوترینو الکترونی تجزیه می شود. طول عمر نوترون (917?14) s است، یعنی حدود 15 دقیقه. در ماده، نوترون‌ها به‌دلیل جذب قوی‌شان توسط هسته‌ها، حتی کمتر به شکل آزاد وجود دارند. بنابراین، آنها در طبیعت رخ می دهند یا فقط در نتیجه واکنش های هسته ای در آزمایشگاه تولید می شوند.

بر اساس تعادل انرژی واکنش‌های هسته‌ای مختلف، تفاوت بین جرم‌های نوترون و پروتون تعیین شد: mn-mp (00007/0 ± 1.29344) MeV. با مقایسه آن با جرم پروتون، جرم نوترون را بدست می آوریم: mn = 0.0027 ± 939.5731 MeV. این مربوط به mn ~ 1.6-10-24 است. فعل و انفعالات قوی نوترون ها و پروتون ها را در هسته اتم متصل می کند. نمونه ای از برهمکنش ضعیف، واپاشی بتا یک نوترون است.

آیا این ذره خنثی در فعل و انفعالات الکترومغناطیسی شرکت می کند؟ نوترون دارای ساختار داخلی است و با خنثی بودن کلی، جریان های الکتریکی در آن وجود دارد که به ویژه منجر به ظهور یک گشتاور مغناطیسی در نوترون می شود. به عبارت دیگر، در یک میدان مغناطیسی، یک نوترون مانند یک سوزن قطب نما رفتار می کند. این تنها یک نمونه از برهمکنش الکترومغناطیسی آن است. جستجو برای گشتاور دوقطبی الکتریکی نوترون، که حد بالایی برای آن به دست آمد، علاقه زیادی به دست آورد. در اینجا، مؤثرترین آزمایش ها توسط دانشمندان مؤسسه فیزیک هسته ای لنینگراد آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی انجام شد. جستجو برای گشتاور دوقطبی نوترون برای درک مکانیسم‌های نقض تغییر ناپذیری تحت معکوس زمانی در ریز فرآیندها مهم است.

فعل و انفعالات گرانشی نوترون ها مستقیماً از بروز آنها در میدان گرانشی زمین مشاهده شد.

طبقه بندی مرسوم نوترون ها بر اساس انرژی جنبشی آنها اکنون پذیرفته شده است:

نوترون های آهسته (<105эВ, есть много их разновидностей),

نوترون های سریع (105?108eV)، پرانرژی (> 108eV).

نوترون های بسیار کند (10-7 eV) که نوترون های فوق سرد نامیده می شوند، خواص بسیار جالبی دارند. معلوم شد که نوترون های فوق سرد را می توان در "تله های مغناطیسی" انباشته کرد و حتی می توان چرخش آنها را در جهت خاصی در آنجا جهت داد. با استفاده از میدان‌های مغناطیسی با پیکربندی خاص، نوترون‌های فوق‌سرد از دیواره‌های جذب‌کننده جدا می‌شوند و می‌توانند تا زمانی که پوسیده شوند در تله زندگی کنند. این به بسیاری از آزمایش‌های ظریف اجازه می‌دهد تا خواص نوترون‌ها را مطالعه کنند. روش دیگر برای ذخیره نوترون های فوق سرد بر اساس خواص موجی آنهاست. چنین نوترون هایی را می توان به سادگی در یک "کوزه" بسته ذخیره کرد. این ایده توسط Ya B. Zeldovich فیزیکدان شوروی در اواخر دهه 1950 بیان شد و اولین نتایج تقریباً یک دهه بعد در Dubna در مؤسسه تحقیقات هسته ای به دست آمد.

اخیراً دانشمندان موفق به ساخت کشتی‌ای شدند که نوترون‌های فوق سرد تا زمان فروپاشی طبیعی خود در آن زندگی می‌کنند.

نوترون های آزاد می توانند به طور فعال با هسته اتم برهم کنش داشته باشند و باعث واکنش های هسته ای شوند. در نتیجه برهمکنش نوترون های آهسته با ماده، می توان اثرات تشدید، پراکندگی پراش در کریستال ها و غیره را مشاهده کرد که با توجه به این ویژگی ها، نوترون ها به طور گسترده در فیزیک هسته ای و فیزیک حالت جامد استفاده می شوند. آنها نقش مهمی در انرژی هسته ای، در تولید عناصر ترانس اورانیوم و ایزوتوپ های رادیواکتیو دارند و کاربرد عملی در تجزیه و تحلیل شیمیایی و اکتشافات زمین شناسی پیدا می کنند.

اتم ها کوچکترین ذرات ماده هستند.
اگر یک سیب با اندازه متوسط ​​را به اندازه زمین بزرگ کنید، اتم ها فقط به اندازه یک سیب می شوند. با وجود چنین ابعاد کوچکی، اتم از ذرات فیزیکی حتی کوچکتری تشکیل شده است.
شما باید از قبل از درس فیزیک مدرسه خود با ساختار اتم آشنا باشید. و با این حال، به یاد بیاوریم که اتم حاوی یک هسته و الکترون است که به سرعت در اطراف هسته می چرخند که غیر قابل تشخیص می شوند - آنها یک "ابر الکترونی" یا پوسته الکترونی اتم را تشکیل می دهند.

الکترون هامعمولاً به صورت زیر نشان داده می شود: ه − . الکترون ها ه- بسیار سبک، تقریبا بی وزن، اما آنها دارند منفیشارژ الکتریکی. برابر با -1 است. جریان الکتریکی که همه ما استفاده می کنیم، جریانی از الکترون ها است که در سیم ها جریان دارند.

هسته اتمی، که تقریباً تمام جرم آن در آن متمرکز است ، از ذرات دو نوع - نوترون و پروتون تشکیل شده است.

نوترون هابه صورت زیر مشخص می شود: n 0 ، آ پروتون هابنابراین: پ + .
از نظر جرم، نوترون ها و پروتون ها تقریباً یکسان هستند - 1.675 10-24 گرم و 1.673 10-24 g.
درست است، شمارش جرم چنین ذرات کوچک در گرم بسیار ناخوشایند است، بنابراین در بیان می شود واحدهای کربنکه هر کدام برابر با 1.673 10 −24 گرم است.
برای هر ذره ای که بدست می آوریم جرم اتمی نسبیبرابر با ضریب جرم یک اتم (به گرم) تقسیم بر جرم یک واحد کربن. جرم اتمی نسبی یک پروتون و یک نوترون برابر با 1 است، اما بار پروتون ها مثبت و برابر با 1+ است، در حالی که نوترون ها بار ندارند.

. معماهایی در مورد اتم

یک اتم را می توان «در ذهن» از ذرات جمع کرد، مانند یک اسباب بازی یا یک ماشین از قسمت هایی از مجموعه ساخت و ساز کودکان. تنها رعایت دو شرط مهم ضروری است.

• شرط اول: هر نوع اتم مختص به خود را دارد مجموعه خود"جزئیات" - ذرات بنیادی. به عنوان مثال، یک اتم هیدروژن قطعا دارای هسته ای با بار مثبت +1 خواهد بود، به این معنی که قطعا باید یک پروتون (و نه بیشتر) داشته باشد.
  یک اتم هیدروژن همچنین می تواند حاوی نوترون باشد. بیشتر در این مورد در پاراگراف بعدی.
  اتم اکسیژن (عدد اتمی در جدول تناوبی 8 است) دارای یک هسته باردار است. هشتبارهای مثبت (8+)، یعنی هشت پروتون وجود دارد. از آنجایی که جرم یک اتم اکسیژن 16 واحد نسبی است، برای بدست آوردن یک هسته اکسیژن، 8 نوترون دیگر اضافه می کنیم.
• شرط دوماین است که هر اتم باید باشد خنثی الکتریکی. برای این کار باید الکترون کافی برای متعادل کردن بار هسته داشته باشد. به عبارت دیگر، تعداد الکترون های یک اتم برابر با تعداد پروتون هاستدر هسته آن و همچنین شماره سریال این عنصر در جدول تناوبی.

همانطور که قبلاً اشاره شد، یک اتم از سه نوع ذره بنیادی تشکیل شده است: پروتون، نوترون و الکترون. هسته اتم بخش مرکزی اتم است که از پروتون و نوترون تشکیل شده است. پروتون ها و نوترون ها نام مشترکی دارند که می توانند در هسته به یکدیگر تبدیل شوند. هسته ساده ترین اتم - اتم هیدروژن - از یک ذره بنیادی - پروتون تشکیل شده است.

قطر هسته یک اتم تقریباً 10-13 - 10-12 سانتی متر است و 0001/0 قطر اتم است. با این حال، تقریباً کل جرم اتم (99.95-99.98٪) در هسته متمرکز است. اگر بتوان 1 سانتی متر مکعب ماده هسته ای خالص به دست آورد، جرم آن 100 تا 200 میلیون تن خواهد بود. جرم هسته یک اتم چندین هزار بار بیشتر از جرم تمام الکترون های تشکیل دهنده اتم است.

پروتون- یک ذره بنیادی، هسته اتم هیدروژن. جرم یک پروتون 1.6721×10-27 کیلوگرم است که 1836 برابر جرم یک الکترون است. بار الکتریکی مثبت و برابر با 1.66×10-19 C است. کولن واحدی از بار الکتریکی است که برابر با مقدار الکتریسیته ای است که از مقطع رسانا در زمان ۱ ثانیه با جریان ثابت ۱ آمپر (آمپر) عبور می کند.

هر اتم هر عنصر حاوی تعداد معینی پروتون در هسته است. این عدد برای یک عنصر معین ثابت است و خواص فیزیکی و شیمیایی آن را تعیین می کند. یعنی تعداد پروتون ها مشخص می کند که با چه عنصر شیمیایی سروکار داریم. به عنوان مثال، اگر یک پروتون در هسته وجود داشته باشد، آن هیدروژن است، اگر 26 پروتون وجود داشته باشد، آهن است. تعداد پروتون های هسته اتم بار هسته (شماره بار Z) و عدد اتمی عنصر را در جدول تناوبی عناصر D.I تعیین می کند. مندلیف (عدد اتمی عنصر).

نوترون- یک ذره خنثی الکتریکی با جرم 1.6749 x 10-27 کیلوگرم، 1839 برابر جرم یک الکترون. یک نورون در حالت آزاد یک ذره ناپایدار است که به طور مستقل با گسیل یک الکترون و یک پادنوترینو به پروتون تبدیل می شود. نیمه عمر نوترون ها (زمانی که در طی آن نیمی از تعداد اولیه نوترون ها تجزیه می شود) تقریباً 12 دقیقه است. با این حال، در یک حالت محدود در داخل هسته های اتمی پایدار، پایدار است. تعداد کل نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) در هسته را عدد جرمی (جرم اتمی - A) می گویند. تعداد نوترون های موجود در هسته برابر است با تفاوت بین اعداد جرم و بار: N = A - Z.

الکترون- یک ذره بنیادی، حامل کوچکترین جرم - 0.91095x10-27 گرم و کوچکترین بار الکتریکی - 1.6021x10-19 C. این یک ذره با بار منفی است. تعداد الکترون های یک اتم برابر با تعداد پروتون های هسته است، یعنی. اتم از نظر الکتریکی خنثی است.

پوزیترون- یک ذره بنیادی با بار الکتریکی مثبت، یک پاد ذره در رابطه با الکترون. جرم الکترون و پوزیترون برابر است و بارهای الکتریکی از نظر قدر مطلق مساوی اما در علامت مخالف هستند.

انواع مختلف هسته ها را نوکلید می نامند. نوکلید نوعی اتم با تعداد معین پروتون و نوترون است. در طبیعت، اتم های یک عنصر با جرم اتمی متفاوت (اعداد جرمی) وجود دارد:
، کلر و غیره هسته‌های این اتم‌ها دارای تعداد مشابهی پروتون، اما تعداد متفاوتی از نوترون‌ها هستند. انواع اتم های یک عنصر که دارای بار هسته ای یکسان اما اعداد جرمی متفاوت هستند نامیده می شوند ایزوتوپ ها . ایزوتوپ‌ها با داشتن تعداد پروتون یکسان، اما از نظر تعداد نوترون‌های متفاوت، ساختار لایه‌های الکترونی یکسانی دارند، یعنی. خواص شیمیایی بسیار مشابهی دارد و در جدول تناوبی عناصر شیمیایی جایگاه یکسانی را اشغال می کند.

آنها با نماد عنصر شیمیایی مربوطه با شاخص A در بالا سمت چپ مشخص می شوند - عدد جرمی، گاهی اوقات تعداد پروتون ها (Z) نیز در پایین سمت چپ آورده شده است. به عنوان مثال، ایزوتوپ های رادیواکتیو فسفر به ترتیب 32P، 33P، یا P و P هستند. هنگام تعیین ایزوتوپ بدون نشان دادن نماد عنصر، عدد جرمی پس از تعیین عنصر داده می شود، به عنوان مثال، فسفر - 32، فسفر - 33.

اکثر عناصر شیمیایی چندین ایزوتوپ دارند. علاوه بر ایزوتوپ هیدروژن 1H-protium، هیدروژن سنگین 2H-دوتریوم و هیدروژن فوق سنگین 3H-تریتیوم شناخته شده است. اورانیوم دارای 11 ایزوتوپ در ترکیبات طبیعی است (اورانیوم 238، اورانیوم 235، اورانیوم 233). آنها به ترتیب 92 پروتون و 146،143 و 141 نوترون دارند.

در حال حاضر، بیش از 1900 ایزوتوپ از 108 عنصر شیمیایی شناخته شده است. از این میان، ایزوتوپ‌های طبیعی شامل همه ایزوتوپ‌های پایدار (حدود 280 تای آن‌ها) و ایزوتوپ‌های طبیعی هستند که بخشی از خانواده‌های رادیواکتیو هستند (46 مورد). بقیه به عنوان مصنوعی طبقه بندی می شوند و در نتیجه واکنش های هسته ای مختلف به دست می آیند.

اصطلاح "ایزوتوپ" فقط باید زمانی استفاده شود که ما در مورد اتم های یک عنصر صحبت می کنیم، به عنوان مثال، کربن 12C و 14C. اگر منظور اتم های عناصر شیمیایی مختلف است، توصیه می شود از اصطلاح "نوکلیدها" استفاده کنید، به عنوان مثال، رادیونوکلئید 90Sr، 131J، 137Cs.

بیایید در مورد چگونگی پیدا کردن پروتون، نوترون و الکترون صحبت کنیم. سه نوع ذره بنیادی در یک اتم وجود دارد که هر کدام بار و جرم اولیه خود را دارند.

ساختار هسته

برای درک چگونگی یافتن پروتون، نوترون و الکترون، تصور کنید که این بخش اصلی اتم است. در داخل هسته پروتون و نوترون وجود دارد که نوکلئون نامیده می شود. در داخل هسته، این ذرات می توانند به یکدیگر تبدیل شوند.

به عنوان مثال، برای پیدا کردن پروتون، نوترون و الکترون در یک، باید شماره سریال آن را بدانید. اگر در نظر بگیریم که این عنصر است که در جدول تناوبی قرار دارد، هسته آن حاوی یک پروتون است.

قطر هسته اتم ده هزارم اندازه کل اتم است. این شامل بخش عمده ای از کل اتم است. جرم هسته هزاران بار بیشتر از مجموع تمام الکترون های موجود در اتم است.

ویژگی های ذرات

بیایید نحوه یافتن پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها در اتم را بررسی کنیم و با ویژگی های آنها آشنا شویم. پروتون پروتونی است که با هسته اتم هیدروژن مطابقت دارد. جرم آن 1836 برابر از الکترون بیشتر است. برای تعیین واحد برق عبوری از یک هادی با مقطع معین، از بار الکتریکی استفاده می شود.

هر اتم دارای تعداد معینی پروتون در هسته خود است. این یک مقدار ثابت است و ویژگی های شیمیایی و فیزیکی یک عنصر معین را مشخص می کند.

چگونه می توان پروتون، نوترون و الکترون را در اتم کربن پیدا کرد؟ عدد اتمی این عنصر شیمیایی 6 است، بنابراین هسته دارای شش پروتون است. طبق سیستم سیاره ای، شش الکترون در مدارهای دور هسته حرکت می کنند. برای تعیین تعداد نوترون ها از مقدار کربن (12)، تعداد پروتون ها را کم می کنیم (6)، شش نوترون بدست می آوریم.

برای یک اتم آهن، تعداد پروتون ها برابر با 26 است، یعنی این عنصر بیست و ششمین عدد اتمی جدول تناوبی را دارد.

نوترون یک ذره خنثی الکتریکی است که در حالت آزاد ناپایدار است. یک نوترون می تواند به طور خود به خود به یک پروتون با بار مثبت تبدیل شود و یک پاد نوترینو و یک الکترون ساطع کند. متوسط ​​نیمه عمر آن 12 دقیقه است. عدد جرمی تعداد کل پروتون ها و نوترون های درون هسته یک اتم است. بیایید سعی کنیم دریابیم که چگونه می توان پروتون، نوترون و الکترون را در یک یون پیدا کرد؟ اگر یک اتم در طی یک برهمکنش شیمیایی با عنصر دیگری حالت اکسیداسیون مثبت به دست آورد، تعداد پروتون ها و نوترون های موجود در آن تغییر نمی کند، فقط الکترون ها کمتر می شوند.

نتیجه

چندین نظریه در مورد ساختار اتم وجود داشت، اما هیچ یک از آنها قابل اجرا نبودند. قبل از نسخه ایجاد شده توسط رادرفورد، توضیح دقیقی درباره مکان پروتون ها و نوترون ها در داخل هسته و همچنین چرخش الکترون ها در مدارهای دایره ای وجود نداشت. پس از ظهور نظریه ساختار سیاره ای اتم، محققان این فرصت را داشتند که نه تنها تعداد ذرات بنیادی یک اتم را تعیین کنند، بلکه خواص فیزیکی و شیمیایی یک عنصر شیمیایی خاص را نیز پیش بینی کنند.

بسیاری از مردم از مدرسه به خوبی می دانند که همه مواد از اتم تشکیل شده اند. اتم ها به نوبه خود از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده اند که هسته اتم ها و الکترون ها را تشکیل می دهند که در فاصله ای از هسته قرار دارند. بسیاری نیز شنیده اند که نور نیز از ذرات - فوتون ها تشکیل شده است. با این حال، دنیای ذرات به این محدود نمی شود. تا به امروز، بیش از 400 ذره بنیادی مختلف شناخته شده است. بیایید سعی کنیم درک کنیم که ذرات بنیادی چگونه با یکدیگر متفاوت هستند.

پارامترهای زیادی وجود دارد که ذرات بنیادی را می توان از یکدیگر متمایز کرد:

• وزن.
• شارژ الکتریکی.
• طول عمر. تقریباً تمام ذرات بنیادی عمر محدودی دارند و پس از آن تجزیه می شوند.
• چرخش. می توان آن را تقریباً به عنوان یک لحظه چرخشی در نظر گرفت.

چند پارامتر دیگر، یا همانطور که معمولا در علم اعداد کوانتومی نامیده می شود. این پارامترها همیشه معنای فیزیکی واضحی ندارند، اما برای تشخیص یک ذره از ذره دیگر مورد نیاز هستند. همه این پارامترهای اضافی به عنوان مقادیری معرفی می شوند که در تعامل حفظ می شوند.

تقریباً همه ذرات جرم دارند، به جز فوتون ها و نوترینوها (طبق آخرین داده ها، نوترینوها دارای جرم هستند، اما آنقدر کوچک که اغلب آن را صفر در نظر می گیرند). بدون جرم، ذرات فقط می توانند در حال حرکت وجود داشته باشند. همه ذرات دارای جرم های مختلف هستند. الکترون بدون احتساب نوترینو، کوچکترین جرم را دارد. ذراتی که مزون نامیده می شوند دارای جرمی 300-400 برابر بیشتر از جرم الکترون هستند، پروتون و نوترون تقریباً 2000 بار سنگین تر از یک الکترون هستند. ذراتی که تقریباً 100 برابر سنگین‌تر از یک پروتون هستند اکنون کشف شده‌اند. جرم (یا معادل انرژی آن طبق فرمول اینشتین:

در تمام فعل و انفعالات ذرات بنیادی حفظ می شود.

همه ذرات بار الکتریکی ندارند، به این معنی که همه ذرات قادر به شرکت در برهمکنش الکترومغناطیسی نیستند. همه ذرات آزادانه دارای بار الکتریکی هستند که مضربی از بار الکترون است. علاوه بر ذرات آزادانه، ذراتی نیز وجود دارند که فقط در حالت محدود هستند که کمی بعد در مورد آنها صحبت خواهیم کرد.

اسپین، مانند سایر اعداد کوانتومی، برای ذرات مختلف متفاوت است و منحصر به فرد بودن آنها را مشخص می کند. برخی از اعداد کوانتومی در برخی فعل و انفعالات حفظ می شوند، برخی در برخی دیگر. همه این اعداد کوانتومی تعیین می کنند که کدام ذرات با کدام و چگونه برهمکنش دارند.

طول عمر نیز یک ویژگی بسیار مهم برای یک ذره است و ما آن را با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد. بیایید با یک یادداشت شروع کنیم. همانطور که در ابتدای مقاله گفتیم، هر چیزی که ما را احاطه کرده است از اتم (الکترون، پروتون و نوترون) و نور (فوتون) تشکیل شده است. و پس صدها نوع مختلف ذرات بنیادی کجا هستند؟ پاسخ ساده است - همه جا در اطراف ما، اما ما به دو دلیل متوجه آن نمی شویم.

اولین آنها این است که تقریباً تمام ذرات دیگر بسیار کوتاه زندگی می کنند، تقریباً 10 تا توان منفی 10 ثانیه یا کمتر، و بنابراین ساختارهایی مانند اتم ها، شبکه های کریستالی و غیره را تشکیل نمی دهند. دلیل دوم به نوترینوها مربوط می شود، اگرچه این ذرات تجزیه نمی شوند، اما فقط در معرض برهمکنش های ضعیف و گرانشی هستند. این بدان معناست که این ذرات به قدری اندک برهم کنش دارند که تشخیص آنها تقریبا غیرممکن است.

بیایید تجسم کنیم که یک ذره چقدر خوب برهم کنش می کند. برای مثال، جریان الکترون‌ها را می‌توان با یک ورقه فولادی نسبتاً نازک، در حد چند میلی‌متر متوقف کرد. این اتفاق می‌افتد زیرا الکترون‌ها بلافاصله شروع به برهمکنش با ذرات ورق فولادی می‌کنند، جهت خود را به شدت تغییر می‌دهند، فوتون‌ها را ساطع می‌کنند و بنابراین به سرعت انرژی خود را از دست می‌دهند. این مورد در مورد جریان نوترینو نیست. و بنابراین تشخیص آنها بسیار دشوار است.

بنابراین، بیشتر ذرات برای مدت زمان بسیار کوتاهی زندگی می کنند و پس از آن متلاشی می شوند. فروپاشی ذرات رایج ترین واکنش ها هستند. در نتیجه پوسیدگی، یک ذره به چند ذره دیگر با جرم کمتر تجزیه می شود و آنها نیز به نوبه خود بیشتر تجزیه می شوند. همه پوسیدگی ها از قوانین خاصی پیروی می کنند - قوانین حفاظت. بنابراین، برای مثال، در نتیجه واپاشی، بار الکتریکی، جرم، اسپین و تعدادی اعداد کوانتومی دیگر باید حفظ شوند. برخی از اعداد کوانتومی ممکن است در حین فروپاشی تغییر کنند، اما همچنین تابع قوانین خاصی هستند. این قوانین فروپاشی است که به ما می گوید که الکترون و پروتون ذرات پایداری هستند. آنها دیگر نمی توانند با رعایت قواعد زوال، زوال پیدا کنند، و بنابراین آنها هستند که زنجیره های زوال را پایان می دهند.

در اینجا می خواهم چند کلمه در مورد نوترون بگویم. یک نوترون آزاد نیز در عرض 15 دقیقه به یک پروتون و یک الکترون تجزیه می شود. اما زمانی که نوترون در هسته اتم قرار دارد این اتفاق نمی افتد. این واقعیت را می توان به طرق مختلف توضیح داد. به عنوان مثال، هنگامی که یک الکترون و یک پروتون اضافی از یک نوترون در حال فروپاشی در هسته یک اتم ظاهر می شوند، بلافاصله یک واکنش معکوس رخ می دهد - یکی از پروتون ها یک الکترون را جذب می کند و به نوترون تبدیل می شود. این تصویر تعادل دینامیکی نامیده می شود. این در جهان در مراحل اولیه توسعه خود، اندکی پس از انفجار بزرگ مشاهده شد.

علاوه بر واکنش های فروپاشی، واکنش های پراکندگی نیز وجود دارد - زمانی که دو یا چند ذره به طور همزمان برهم کنش می کنند و در نتیجه یک یا چند ذره دیگر به دست می آید. واکنش های جذبی نیز وجود دارد، زمانی که دو یا چند ذره یکی را تولید می کنند. همه واکنش ها در نتیجه برهمکنش های قوی ضعیف یا الکترومغناطیسی رخ می دهند. واکنش‌های ناشی از برهمکنش قوی، سریع‌ترین زمان هستند. سرعت واکنش هایی که به دلیل برهمکنش الکترومغناطیسی رخ می دهد کمتر است در اینجا زمان می تواند حدود 10 منهای 8 ثانیه باشد. برای واکنش های متقابل ضعیف، زمان می تواند به ده ها ثانیه و گاهی سال ها برسد.

در پایان داستان در مورد ذرات، بیایید در مورد کوارک ها صحبت کنیم. کوارک ها ذرات بنیادی هستند که دارای بار الکتریکی مضربی از یک سوم بار الکترون هستند و نمی توانند در حالت آزاد وجود داشته باشند. تعامل آنها به گونه ای تنظیم شده است که آنها فقط می توانند به عنوان بخشی از چیزی زندگی کنند. به عنوان مثال، ترکیبی از سه کوارک از یک نوع خاص، یک پروتون را تشکیل می دهد. ترکیب دیگری یک نوترون تولید می کند. در مجموع 6 کوارک شناخته شده است. ترکیبات مختلف آنها ذرات مختلفی را به ما می دهد، و اگرچه همه ترکیب کوارک ها توسط قوانین فیزیکی مجاز نیستند، ذرات بسیار زیادی از کوارک ها تشکیل شده اند.

در اینجا ممکن است این سوال مطرح شود: اگر پروتون از کوارک تشکیل شده باشد چگونه می توان ابتدایی نامید؟ این بسیار ساده است - پروتون ابتدایی است، زیرا نمی توان آن را به اجزای سازنده خود - کوارک ها تقسیم کرد. تمام ذراتی که در برهمکنش قوی شرکت می کنند از کوارک ها تشکیل شده اند و در عین حال ابتدایی هستند.

درک فعل و انفعالات ذرات بنیادی برای درک ساختار جهان بسیار مهم است. هر چیزی که برای اجسام ماکرو اتفاق می افتد نتیجه برهم کنش ذرات است. این برهمکنش ذرات است که رشد درختان روی زمین، واکنش‌های درون ستاره‌ها، تابش ستاره‌های نوترونی و موارد دیگر را توصیف می‌کند.