Nêutron (partícula elementar). Estrutura atômica: núcleo, nêutron, próton, elétron

NÊUTRON(n) (do latim neutro - nem um nem outro) - uma partícula elementar com potência elétrica zero. carga e massa, ligeiramente maiores que a massa do próton. Junto com o próton sob o nome geral. O núcleon faz parte dos núcleos atômicos. H. tem spin 1/2 e portanto obedece Estatísticas Fermi-Dirac(é um férmion). Pertence à família adra-nov; tem número bariônico B= 1, ou seja, incluído no grupo bárions.

Descoberto em 1932 por J. Chadwick, que mostrou que a radiação de forte penetração resultante do bombardeio de núcleos de berílio por partículas α consiste em partículas eletricamente neutras com massa aproximadamente igual à de um próton. Em 1932, D. D. Ivanenko e W. Heisenberg apresentaram a hipótese de que os núcleos atômicos consistem em prótons e cargas H. diferentes. partículas, H. penetra facilmente nos núcleos em qualquer energia e é altamente provável que cause reações nucleares capture (n,g), (n,a), (n, p), se o balanço de energia na reação for positivo. Probabilidade de exotérmica aumenta à medida que H diminui.Inversamente proporcional. sua velocidade. Um aumento na probabilidade de reações de captura de H. quando elas são desaceleradas em meios contendo hidrogênio foi descoberto por E. Fermi e colaboradores em 1934. A capacidade de H. de causar a fissão de núcleos pesados, descoberta por O. Hahn e F. Strassmann (F. Strassman) em 1938 (ver. Ficão nuclear), serviu de base para a criação de armas nucleares e. A peculiaridade da interação com a matéria dos nêutrons lentos, que possuem comprimento de onda de De Broglie da ordem das distâncias atômicas (efeitos de ressonância, difração, etc.), serve de base para o uso generalizado de feixes de nêutrons na física do estado sólido. (Classificação de H. por energias - rápido, lento, térmico, frio, ultrafrio - ver Art. Física de nêutrons.)

No estado livre, H. é instável - sofre decaimento B; n p + e - + v e; seu tempo de vida t n = 898(14) s, a energia limite do espectro de elétrons é 782 keV (ver. Decaimento beta de nêutrons). No estado ligado como parte de núcleos estáveis, H. é estável (de acordo com estimativas experimentais, seu tempo de vida excede 10 32 anos). De acordo com astr. Estima-se que 15% da matéria visível do Universo seja representada por H., que faz parte dos 4 núcleos de He. H. é o principal componente estrelas de nêutrons. H. livres na natureza são formados em reações nucleares causadas por partículas α de decaimento radioativo, raios cósmicos e como resultado da fissão espontânea ou forçada de núcleos pesados. Arte. fontes de H. são reatores nucleares, explosões nucleares, aceleradores de prótons (em energia média) e elétrons com alvos feitos de elementos pesados. As fontes de feixes monocromáticos de H. com energia de 14 MeV são de baixa energia. aceleradores de deutério com alvo de trítio ou lítio e, no futuro, as instalações termonucleares termonucleares podem revelar-se fontes intensas desse tipo de H. (Cm. .)

Principais características do H.

Massa H. t p = 939,5731(27) MeV/s 2 = = 1,008664967(34) at. unidades massa 1,675. 10 -24 G. A diferença entre as massas de H. e do próton foi medida a partir do máx. precisão da energia. equilíbrio da reação de captura de H. por um próton: n + p d + g (g-energia quântica = 2,22 MeV), eu n- eu p = 1,293323 (16) MeV/c 2 .

Carga elétrica H. P n = 0. Medições diretas mais precisas P n são feitos desviando feixes de H. frio ou ultrafrio em eletrostático. campo: P n<= 3·10 -21 dela- carga do elétron). Kosv. Dados elétricos neutralidade macroscópica. quantidade de gás que eles dão Qn<= 2·10 -22 e.

Girar H. J.= 1/2 foi determinado a partir de experimentos diretos na divisão de um feixe H em um campo magnético não homogêneo. campo em dois componentes [no caso geral, o número de componentes é igual a (2 J. + 1)].

Consistente descrição da estrutura dos hádrons baseada em modernos teoria da interação forte - cromodinâmica quântica- ao mesmo tempo em que atende o teórico. dificuldades, no entanto, para muitos irá satisfazer completamente as tarefas. os resultados são dados por uma descrição da interação de núcleons, representados como objetos elementares, por meio da troca de mésons. Vamos experimentar. exploração de espaços. a estrutura de H. é realizada usando o espalhamento de léptons de alta energia (elétrons, múons, neutrinos, considerados na teoria moderna como partículas pontuais) em deutérios. A contribuição do espalhamento em um próton é medida em dep. experimento e pode ser subtraído usando a definição. irá calcular. procedimentos.

O espalhamento de elétrons elástico e quase elástico (com divisão de deutério) em um deutério torna possível encontrar a distribuição de densidade elétrica. carga e magnético momento H. ( fator de forma H.). De acordo com o experimento, a distribuição da densidade magnética. momento H. com uma precisão da ordem de vários. por cento coincide com a distribuição da densidade elétrica. carga de próton e tem um raio quadrático médio de ~ 0,8·10 -13 cm (0,8 F). Magn. H. O fator de forma é descrito muito bem pelo chamado. dipolo f-loy G M n = m n (1 + q 2 /0,71) -2, onde q 2 - quadrado do momento transferido em unidades (GeV/c) 2.

Uma questão mais complexa é sobre a magnitude da corrente elétrica. (carga) fator de forma H. G E n. A partir de experimentos de espalhamento de deutério podemos concluir que G E n( q 2 ) <= 0,1 no intervalo de quadrados dos impulsos transmitidos (0-1) (GeV/c) 2. No q 2 0 devido à igualdade a zero elétrico. carregar H. G E n- > 0, no entanto, pode ser determinado experimentalmente dG E n( q 2 )/dq 2 | q 2=0. Este valor é máximo. exatamente encontrado a partir de medições comprimentos de dispersão H. na camada eletrônica de átomos pesados. Básico Parte desta interação é determinada pelo campo magnético. momento H. Máx. experimentos precisos fornecem o comprimento de espalhamento ne A ne = -1,378(18) . 10 -16 cm, que difere do valor calculado determinado pelo campo magnético. momento H.: a ne = -1,468. 10 -16 cm A diferença entre esses valores dá a média quadrada elétrica. raio H.<R 2 E n >= = 0,088(12) Fili dG E n( q 2)/dq 2 | q 2=0 = -0,02 F 2 . Esses números não podem ser considerados finais devido à grande dispersão e decomposição dos dados. experimentos excedendo os erros relatados.

Uma característica da interação de H. com a maioria dos núcleos é positiva. comprimento de espalhamento, o que leva ao coeficiente. refração< 1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. При скорости u < (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах (напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства (см. Óptica de nêutrons).

H. e interação fraca (eletrofraca). Uma importante fonte de informação sobre a interação eletrofraca é o decaimento b do H livre. No nível dos quarks, esse processo corresponde à transição. O processo reverso de interação entre um elétron e um próton é chamado. decaimento b reverso. Esta classe de processos inclui captura eletrônica, ocorrendo em núcleos, re - n v e.

Decadência de H. livre levando em consideração a cinemática. os parâmetros são descritos por duas constantes - vetor G V, o que se deve corrente de conservação vetorial universos. constante de interação fraca e vetor axial GA, o valor do corte é determinado pela dinâmica dos componentes do núcleon que interagem fortemente - quarks e glúons. Funções de onda do H. inicial e do próton final e do elemento da matriz da transição n p devido ao isotópico. as invariâncias são calculadas com bastante precisão. Como resultado, o cálculo das constantes G V E GA do decaimento do H. livre (em contraste com os cálculos do decaimento b dos núcleos) não está associado à consideração de fatores estruturais nucleares.

O tempo de vida de H. sem levar em conta certas correções é igual a: t n = kg 2 V+ 3G 2 A) -1 , onde k inclui cinemática fatores e correções de Coulomb dependendo da energia limite do decaimento b e correções de radiação.

Probabilidade de decaimento do polarizador. H. com giro S , energias e momentos do elétron e antineutrino e R e, é geralmente descrito pela expressão:

Coef. correlações a, A, B, D pode ser representado como uma função de um parâmetro uma = (GA/G V,)exp( eu f). A fase f é diferente de zero ou p se T-invariância está quebrada. Na tabela dados experimentais são fornecidos. valores para esses coeficientes. e os significados resultantes a e f.

Há uma diferença notável entre esses dados. experimentos para t n, chegando a vários. por cento.

A descrição da interação eletrofraca envolvendo H. em energias mais altas é muito mais complicada devido à necessidade de levar em consideração a estrutura dos núcleons. Por exemplo, m - -captura, m - p n v m é descrito por pelo menos duas vezes o número de constantes. H. também experimenta interação eletrofraca com outros hádrons sem a participação de léptons. Esses processos incluem o seguinte.

1) Decaimentos de hiperons L np 0, S + np +, S - np -, etc. A probabilidade reduzida desses decaimentos é várias. vezes menos do que para partículas não estranhas, o que é descrito pela introdução do ângulo Cabibbo (ver. Esquina do Cabibo).

2) Interação fraca n - n ou n - p, que se manifesta como forças nucleares que não preservam espaços. paridade A magnitude usual dos efeitos por eles causados ​​é da ordem de 10 -6 -10 -7.

A interação de H. com núcleos médios e pesados ​​tem uma série de características, levando em alguns casos a significar. efeitos de melhoria não conservação da paridade em kernels. Um desses efeitos está relacionado. a diferença na seção transversal de absorção de H. c na direção de propagação e contra ela, arestas no caso do núcleo de 139 La é igual a 7% em = 1,33 eV, correspondendo a R- ressonância de nêutrons de onda. O motivo do aumento é a combinação de baixo consumo de energia. a largura dos estados do núcleo composto e a alta densidade de níveis com paridades opostas neste núcleo composto, o que fornece mistura 2-3 ordens de magnitude maior de componentes com paridades diferentes do que em estados de núcleos baixos. O resultado é uma série de efeitos: assimetria da emissão de g-quanta em relação ao spin dos polarizadores capturados. H. na reação (n, g), assimetria de emissão de carga. partículas durante o decaimento dos estados compostos na reação (n, p) ou a assimetria da emissão de um fragmento de fissão leve (ou pesado) na reação (n, f). As assimetrias têm um valor de 10 -4 -10 -3 na energia térmica H. V R ressonâncias de nêutrons de onda são realizadas além disso. aprimoramento associado à supressão da probabilidade de formação de um componente de preservação de paridade deste estado composto (devido à pequena largura de nêutrons R-ressonância) em relação ao componente de impureza com paridade oposta, que é é-ressonância-som. É a combinação de vários. fatores de amplificação permitem que um efeito extremamente fraco se manifeste com uma magnitude característica da interação nuclear.

Interações com violação do número bariônico. Teórico modelos grande unificação E superunificações prever a instabilidade dos bárions - sua decadência em léptons e mésons. Esses decaimentos podem ser perceptíveis apenas para os bárions mais leves - p e n, que fazem parte dos núcleos atômicos. Para interação com uma mudança no número bariônico em 1, D B= 1, seria de esperar uma transformação do tipo H.: n e + p - , ou uma transformação com emissão de mésons estranhos. A busca por processos desse tipo foi realizada em experimentos utilizando detectores subterrâneos com massa de vários. mil toneladas. Com base nesses experimentos, pode-se concluir que o tempo de decaimento de H. com violação do número bariônico é superior a 10 32 anos.

Dr. possível tipo de interação com D EM= 2 pode levar ao fenômeno de interconversão de H. e antinêutrons no vácuo, ou seja, à oscilação . Na ausência de recursos externos campos ou em sua baixa magnitude, os estados de H. e do antinêutron são degenerados, pois suas massas são iguais, portanto mesmo uma interação ultrafraca pode misturá-los. O critério de pequeno externo campos é a pequenez da energia de interação magnética. momento H. com ímã. campo (n e n ~ têm momentos magnéticos de sinal oposto) em comparação com a energia determinada pelo tempo T observações H. (de acordo com a relação de incerteza), D<=hT-1. Ao observar a produção de antinêutrons em um feixe H de um reator ou outra fonte Té o tempo de voo H. até o detector. O número de antinêutrons no feixe aumenta quadraticamente com o aumento do tempo de voo: /N n ~ ~ (T/t osc) 2, onde t osc é o tempo de oscilação.

Experimentos diretos de observação da produção em feixes de H. frio de um reator de alto fluxo fornecem uma limitação de t osc > 10 7 s. Nos experimentos em preparação, pode-se esperar um aumento na sensibilidade ao nível t osc ~ 10 9 s. As circunstâncias limitantes são máx. intensidade dos feixes de H. e simulação de fenômenos antinêutrons no detector cósmico. raios.

Dr. método de observação de oscilações - observação da aniquilação de antinêutrons, que podem ser formados em núcleos estáveis. Além disso, devido à grande diferença entre as energias de interação do antinêutron emergente no núcleo e a energia de ligação H. eff. o tempo de observação torna-se ~ 10 -22 s, mas o grande número de núcleos observados (~ 10 32) compensa parcialmente a diminuição da sensibilidade em comparação com o experimento em feixes H. A partir dos dados de experimentos subterrâneos em busca de decaimento de prótons, a ausência de eventos com liberação de energia de ~ 2 GeV pode ser concluída com certa incerteza, dependendo do desconhecimento do tipo exato de interação do antinêutron dentro do núcleo, que t osc > (1-3). 10 7 pág. Criaturas O aumento do limite de t osc nesses experimentos é dificultado pelo fundo causado pela interação de partículas cósmicas. neutrinos com núcleos em detectores subterrâneos.

Deve-se notar que a busca pelo decaimento do núcleon com D B= 1 e a busca por -oscilações são experimentos independentes, uma vez que são causadas por fundamentalmente diferentes tipos de interações.

Interação gravitacional H. O nêutron é uma das poucas partículas elementares que caem na gravidade. O campo da Terra pode ser observado experimentalmente. A medição direta para H. é realizada com precisão de 0,3% e não difere da macroscópica. A questão da conformidade continua relevante princípio de equivalência(igualdade de massas inerciais e gravitacionais) para H. e prótons.

Os experimentos mais precisos foram realizados pelo método Et-weight para corpos com diferentes médias. valores de proporção A/Z, Onde A- no. número, Z- carga dos núcleos (em unidades de carga elementar e). A partir desses experimentos segue-se que a aceleração da gravidade para H. e prótons é idêntica ao nível de 2·10 -9, e a igualdade da gravidade. e massas inertes ao nível de ~10 -12.

Gravidade aceleração e desaceleração são amplamente utilizadas em experimentos com H ultrafrio. Aplicação da gravidade. Um refratômetro para H. frio e ultrafrio permite medir com grande precisão os comprimentos de espalhamento coerente de H. em uma substância.

H. em cosmologia e astrofísica

De acordo com o moderno ideias, no modelo Hot Universe (ver. Teoria do Universo Quente)A formação de bárions, incluindo prótons e hidrogênio, ocorre nos primeiros minutos de vida do Universo. Posteriormente, uma determinada parte do H., que não teve tempo de decair, é capturada por prótons com a formação de 4 He. A proporção de hidrogênio e 4 He é de 70% a 30% em peso. Durante a formação das estrelas e sua evolução, nucleossíntese, até núcleos de ferro. A formação de núcleos mais pesados ​​ocorre como resultado de explosões de supernovas com o nascimento de estrelas de nêutrons, criando a possibilidade de sucessivas. captura de H. por nuclídeos. Neste caso, a combinação dos chamados. é-processo - captura lenta de H. com decaimento b entre capturas sucessivas e R-processo - sequencial rápido. captura durante explosões de estrelas principalmente. pode explicar o observado prevalência de elementos no espaço objetos.

No componente primário do cósmico Os raios H. provavelmente estão ausentes devido à sua instabilidade. H., formado na superfície da Terra, difundindo-se no espaço. espaço e aqueles que lá decaem aparentemente contribuem para a formação dos componentes de elétrons e prótons cinturões de radiação Terra.

Aceso.: Gurevich I.S., Tarasov L.V., Física de nêutrons de baixa energia, M., 1965; Alexandrov Yu. A. Propriedades fundamentais do nêutron, 2ª ed., M., 1982.

Capítulo primeiro. PROPRIEDADES DOS NÚCLEOS ESTÁVEIS

Já foi dito acima que o núcleo consiste em prótons e nêutrons ligados por forças nucleares. Se medirmos a massa de um núcleo em unidades de massa atômica, ela deverá estar próxima da massa de um próton multiplicada por um número inteiro chamado número de massa. Se a carga de um núcleo for um número de massa, isso significa que o núcleo contém prótons e nêutrons. (O número de nêutrons no núcleo é geralmente denotado por

Essas propriedades do kernel são refletidas em notação simbólica, que será usada posteriormente na forma

onde X é o nome do elemento a cujo átomo pertence o núcleo (por exemplo, núcleos: hélio - , oxigênio - , ferro - urânio

As principais características dos núcleos estáveis ​​incluem: carga, massa, raio, momentos mecânicos e magnéticos, espectro de estados excitados, paridade e momento quadrupolo. Os núcleos radioativos (instáveis) são adicionalmente caracterizados pelo seu tempo de vida, tipo de transformações radioativas, energia das partículas emitidas e uma série de outras propriedades especiais, que serão discutidas abaixo.

Em primeiro lugar, consideremos as propriedades das partículas elementares que constituem o núcleo: próton e nêutron.

§ 1. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO PRÓTON E DO NÊUTRON

Peso. Em unidades de massa de elétrons: massa de prótons, massa de nêutrons.

Em unidades de massa atômica: massa de prótons, massa de nêutrons

Em unidades de energia, a massa restante de um próton é a massa restante de um nêutron.

Carga elétrica. q é um parâmetro que caracteriza a interação de uma partícula com um campo elétrico, expresso em unidades de carga de elétrons onde

Todas as partículas elementares carregam uma quantidade de eletricidade igual a 0 ou A carga de um próton A carga de um nêutron é zero.

Rodar. Os spins do próton e do nêutron são iguais. Ambas as partículas são férmions e obedecem à estatística de Fermi-Dirac e, portanto, ao princípio de Pauli.

Momento magnético. Se substituirmos a massa do próton na fórmula (10), que determina o momento magnético do elétron em vez da massa do elétron, obteremos

A quantidade é chamada de magneton nuclear. Poderia ser assumido, por analogia com o elétron, que o momento magnético de spin do próton é igual a. No entanto, a experiência mostrou que o momento magnético do próprio próton é maior que o do magneton nuclear: de acordo com dados modernos

Além disso, descobriu-se que uma partícula sem carga - um nêutron - também possui um momento magnético diferente de zero e igual a

A presença de um momento magnético em um nêutron e um valor tão grande do momento magnético em um próton contradizem as suposições sobre a natureza pontual dessas partículas. Vários dados experimentais obtidos nos últimos anos indicam que tanto o próton quanto o nêutron têm uma estrutura complexa e não homogênea. No centro do nêutron existe uma carga positiva e na periferia existe uma carga negativa de igual magnitude distribuída no volume da partícula. Mas como o momento magnético é determinado não apenas pela magnitude da corrente que flui, mas também pela área coberta por ela, os momentos magnéticos criados por eles não serão iguais. Portanto, um nêutron pode ter um momento magnético enquanto permanece geralmente neutro.

Transformações mútuas de núcleons. A massa de um nêutron é 0,14% maior que a massa de um próton, ou 2,5 vezes a massa de um elétron,

No estado livre, um nêutron decai em próton, elétron e antineutrino: sua vida média é de cerca de 17 minutos.

Um próton é uma partícula estável. Porém, dentro do núcleo pode se transformar em nêutron; neste caso a reação prossegue de acordo com o esquema

A diferença nas massas das partículas à esquerda e à direita é compensada pela energia transmitida ao próton por outros núcleons no núcleo.

Um próton e um nêutron têm os mesmos spins, quase as mesmas massas, e podem se transformar um no outro. Será mostrado mais adiante que as forças nucleares que atuam entre essas partículas aos pares também são idênticas. Portanto, eles são chamados por um nome comum - nucleon e dizem que um nucleon pode estar em dois estados: próton e nêutron, diferindo em sua relação com o campo eletromagnético.

Nêutrons e prótons interagem devido à existência de forças nucleares de natureza não elétrica. As forças nucleares devem sua origem à troca de mésons. Se representarmos a dependência da energia potencial de interação entre um próton e um nêutron de baixa energia na distância entre eles, então será aproximadamente semelhante ao gráfico mostrado na Fig. 5, a, ou seja, tem o formato de um poço de potencial.

Arroz. 5. Dependência da energia potencial de interação da distância entre os núcleons: a - para pares nêutron-nêutron ou nêutron-próton; b - para um par próton-próton

→

Muitas pessoas sabem bem desde a escola que todas as substâncias consistem em átomos. Os átomos, por sua vez, consistem em prótons e nêutrons que formam o núcleo de átomos e elétrons localizados a alguma distância do núcleo. Muitos também já ouviram que a luz também consiste em partículas - fótons. No entanto, o mundo das partículas não se limita a isso. Até o momento, são conhecidas mais de 400 partículas elementares diferentes. Vamos tentar entender como as partículas elementares diferem umas das outras.

Existem muitos parâmetros pelos quais as partículas elementares podem ser distinguidas umas das outras:

• Peso.
• Carga elétrica.
• Vida. Quase todas as partículas elementares têm uma vida útil finita, após a qual decaem.
• Rodar. Pode ser considerado, de forma muito aproximada, como um momento rotacional.

Mais alguns parâmetros, ou como são comumente chamados na ciência dos números quânticos. Esses parâmetros nem sempre têm um significado físico claro, mas são necessários para distinguir algumas partículas de outras. Todos esses parâmetros adicionais são introduzidos como algumas quantidades que são preservadas na interação.

Quase todas as partículas têm massa, exceto fótons e neutrinos (de acordo com os dados mais recentes, os neutrinos têm massa, mas tão pequena que muitas vezes é considerada zero). Sem massa, as partículas só podem existir em movimento. Todas as partículas têm massas diferentes. O elétron tem a menor massa, sem contar o neutrino. Partículas chamadas mésons têm uma massa 300-400 vezes maior que a massa de um elétron, um próton e um nêutron são quase 2.000 vezes mais pesados ​​que um elétron. Partículas que são quase 100 vezes mais pesadas que um próton foram agora descobertas. Massa (ou seu equivalente energético de acordo com a fórmula de Einstein:

é preservado em todas as interações de partículas elementares.

Nem todas as partículas possuem carga elétrica, o que significa que nem todas as partículas são capazes de participar de interações eletromagnéticas. Todas as partículas existentes livremente têm uma carga elétrica que é um múltiplo da carga do elétron. Além das partículas que existem livremente, também existem partículas que estão apenas em estado ligado; falaremos sobre elas um pouco mais tarde.

O spin, como outros números quânticos, é diferente para diferentes partículas e caracteriza sua singularidade. Alguns números quânticos são conservados em algumas interações, outros em outras. Todos esses números quânticos determinam quais partículas interagem com quais e como.

O tempo de vida também é uma característica muito importante de uma partícula e iremos considerá-la com mais detalhes. Vamos começar com uma nota. Como dissemos no início do artigo, tudo o que nos rodeia é composto por átomos (elétrons, prótons e nêutrons) e luz (fótons). E onde estão então centenas de diferentes tipos de partículas elementares? A resposta é simples - em todos os lugares ao nosso redor, mas não percebemos isso por dois motivos.

A primeira delas é que quase todas as outras partículas vivem muito pouco tempo, aproximadamente 10 elevado a menos 10 segundos ou menos, e, portanto, não formam estruturas como átomos, redes cristalinas, etc. A segunda razão diz respeito aos neutrinos; embora estas partículas não decaiam, estão sujeitas apenas a interações fracas e gravitacionais. Isto significa que estas partículas interagem tão pouco que são quase impossíveis de detectar.

Vamos visualizar quão bem uma partícula interage. Por exemplo, o fluxo de elétrons pode ser interrompido por uma folha de aço bastante fina, da ordem de alguns milímetros. Isso acontecerá porque os elétrons começarão imediatamente a interagir com as partículas da chapa de aço, mudarão bruscamente de direção, emitirão fótons e, assim, perderão energia muito rapidamente. Este não é o caso do fluxo de neutrinos; eles podem passar pela Terra quase sem interações. E, portanto, é muito difícil detectá-los.

Assim, a maioria das partículas vive por um período muito curto, após o qual se desintegra. Os decaimentos de partículas são as reações mais comuns. Como resultado do decaimento, uma partícula se divide em várias outras de massa menor e estas, por sua vez, decaem ainda mais. Todas as decadências obedecem a certas regras – leis de conservação. Assim, por exemplo, como resultado do decaimento, a carga elétrica, a massa, o spin e vários outros números quânticos devem ser conservados. Alguns números quânticos podem mudar durante o decaimento, mas também estão sujeitos a certas regras. São as regras de decaimento que nos dizem que o elétron e o próton são partículas estáveis. Eles não podem mais decair sujeitos às regras da decadência e, portanto, são eles que encerram as cadeias de decadência.

Aqui eu gostaria de dizer algumas palavras sobre o nêutron. Um nêutron livre também decai em um próton e um elétron em cerca de 15 minutos. Porém, isso não acontece quando o nêutron está no núcleo atômico. Este fato pode ser explicado de diversas maneiras. Por exemplo, quando um elétron e um próton extra de um nêutron em decomposição aparecem no núcleo de um átomo, ocorre imediatamente uma reação inversa - um dos prótons absorve um elétron e se transforma em um nêutron. Esta imagem é chamada de equilíbrio dinâmico. Foi observado no universo numa fase inicial do seu desenvolvimento, logo após o big bang.

Além das reações de decaimento, também existem reações de espalhamento - quando duas ou mais partículas interagem simultaneamente e, como resultado, uma ou mais outras partículas são obtidas. Existem também reações de absorção, quando duas ou mais partículas produzem uma. Todas as reações ocorrem como resultado de interações fortes, fracas ou eletromagnéticas. As reações devido à interação forte são as mais rápidas; o tempo de tal reação pode chegar a 10 menos 20 segundos. A velocidade das reações que ocorrem devido à interação eletromagnética é menor, aqui o tempo pode ser de cerca de 10 menos 8 segundos. Para reações de interação fraca, o tempo pode chegar a dezenas de segundos e às vezes anos.

No final da história sobre partículas, vamos falar sobre quarks. Quarks são partículas elementares que possuem uma carga elétrica múltiplo de um terço da carga de um elétron e que não podem existir no estado livre. Sua interação é organizada de tal forma que eles só podem viver como parte de algo. Por exemplo, uma combinação de três quarks de um determinado tipo forma um próton. Outra combinação produz um nêutron. Um total de 6 quarks são conhecidos. As suas diferentes combinações dão-nos partículas diferentes e, embora nem todas as combinações de quarks sejam permitidas pelas leis físicas, existem muitas partículas constituídas por quarks.

Aqui pode surgir a questão: como um próton pode ser chamado de elementar se consiste em quarks? É muito simples - o próton é elementar, pois não pode ser dividido em suas partes componentes - os quarks. Todas as partículas que participam da interação forte consistem em quarks e ao mesmo tempo são elementares.

Compreender as interações das partículas elementares é muito importante para a compreensão da estrutura do universo. Tudo o que acontece aos macrocorpos é resultado da interação de partículas. É a interação das partículas que descreve o crescimento das árvores na Terra, as reações no interior das estrelas, a radiação das estrelas de nêutrons e muito mais.

Probabilidades e Mecânica Quântica

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Vamos falar sobre como encontrar prótons, nêutrons e elétrons. Existem três tipos de partículas elementares em um átomo, cada uma com sua própria carga e massa elementares.

Estrutura central

Para entender como encontrar prótons, nêutrons e elétrons, imagine que é a parte principal do átomo. Dentro do núcleo estão prótons e nêutrons chamados núcleons. Dentro do núcleo, essas partículas podem se transformar umas nas outras.

Por exemplo, para encontrar prótons, nêutrons e elétrons em um, você precisa saber seu número de série. Se levarmos em conta que é esse elemento que encabeça a tabela periódica, então seu núcleo contém um próton.

O diâmetro do núcleo atômico é dez milésimos do tamanho total do átomo. Ele contém a maior parte de todo o átomo. A massa do núcleo é milhares de vezes maior que a soma de todos os elétrons presentes no átomo.

Características das partículas

Vejamos como encontrar prótons, nêutrons e elétrons em um átomo e aprenderemos sobre suas características. Um próton é o que corresponde ao núcleo de um átomo de hidrogênio. Sua massa excede a do elétron em 1.836 vezes. Para determinar a unidade de eletricidade que passa por um condutor com uma determinada seção transversal, utiliza-se a carga elétrica.

Cada átomo possui um certo número de prótons em seu núcleo. É um valor constante e caracteriza as propriedades químicas e físicas de um determinado elemento.

Como encontrar prótons, nêutrons e elétrons em um átomo de carbono? O número atômico deste elemento químico é 6, portanto, o núcleo contém seis prótons. De acordo com o sistema planetário, seis elétrons se movem em órbitas ao redor do núcleo. Para determinar o número de nêutrons do valor do carbono (12), subtraímos o número de prótons (6), obtemos seis nêutrons.

Para um átomo de ferro, o número de prótons corresponde a 26, ou seja, esse elemento possui o 26º número atômico da tabela periódica.

Um nêutron é uma partícula eletricamente neutra, instável em estado livre. Um nêutron pode se transformar espontaneamente em um próton com carga positiva, emitindo um antineutrino e um elétron. Sua meia-vida média é de 12 minutos. O número de massa é o número total de prótons e nêutrons dentro do núcleo de um átomo. Vamos tentar descobrir como encontrar prótons, nêutrons e elétrons em um íon? Se um átomo, durante uma interação química com outro elemento, adquire um estado de oxidação positivo, então o número de prótons e nêutrons nele não muda, apenas os elétrons diminuem.

Conclusão

Existiam várias teorias sobre a estrutura do átomo, mas nenhuma delas era viável. Antes da versão criada por Rutherford, não havia explicação detalhada da localização dos prótons e nêutrons no interior do núcleo, bem como da rotação dos elétrons em órbitas circulares. Após o surgimento da teoria da estrutura planetária do átomo, os pesquisadores tiveram a oportunidade não apenas de determinar o número de partículas elementares em um átomo, mas também de prever as propriedades físicas e químicas de um elemento químico específico.

Assim que você encontra um objeto desconhecido, surge inevitavelmente a questão mercantil e cotidiana - quanto ele pesa? Mas se esta incógnita for uma partícula elementar, o que acontecerá? Mas nada, a questão continua a mesma: qual é a massa desta partícula. Se alguém começasse a contar os custos incorridos pela humanidade para satisfazer a sua curiosidade em pesquisar, ou melhor, medir, a massa das partículas elementares, descobriríamos que, por exemplo, a massa de um nêutron em quilogramas com uma incompreensível número de zeros após a vírgula custou mais à humanidade do que a construção mais cara com o mesmo número de zeros antes da vírgula.

E tudo começou de forma muito rotineira: em 1897, no laboratório chefiado por J. J. Thomson, foram realizados estudos de raios catódicos. Como resultado, foi determinada uma constante universal para o Universo - a razão entre a massa de um elétron e sua carga. Resta muito pouco para determinar a massa do elétron - para determinar sua carga. Depois de 12 anos consegui fazer isso. Ele conduziu experimentos com gotículas de óleo caindo em um campo elétrico e conseguiu não apenas equilibrar seu peso com a magnitude do campo, mas também realizar as medições necessárias e extremamente sutis. O resultado é o valor numérico da massa do elétron:

eu = 9,10938215(15) * 10-31kg.

As pesquisas sobre a estrutura, onde Ernest Rutherford foi pioneiro, também datam dessa época. Foi ele quem, observando o espalhamento de partículas carregadas, propôs um modelo de átomo com camada eletrônica externa e núcleo positivo. A partícula, que foi proposta para desempenhar o papel de núcleo do átomo mais simples, foi obtida pelo bombardeio de nitrogênio.Esta foi a primeira reação nuclear obtida em laboratório - como resultado, o oxigênio e os núcleos do futuro chamados prótons foram obtidos a partir de azoto. Contudo, os raios alfa consistem em partículas complexas: além de dois prótons, eles também contêm dois nêutrons. A massa do nêutron é quase igual e a massa total da partícula alfa acaba sendo bastante substancial para destruir o núcleo que se aproxima e quebrar um “pedaço” dele, e foi o que aconteceu.

O fluxo de prótons positivos foi desviado pelo campo elétrico, compensando sua deflexão causada por. Nessas experiências, determinar a massa do próton não foi mais difícil. Mas a questão mais interessante era qual é a razão entre a massa de um próton e de um elétron. O enigma foi resolvido imediatamente: a massa de um próton excede a massa de um elétron um pouco mais de 1.836 vezes.

Assim, inicialmente, o modelo do átomo foi assumido, segundo Rutherford, como um conjunto elétron-próton com o mesmo número de prótons e elétrons. No entanto, logo descobriu-se que o modelo nuclear primário não descreve completamente todos os efeitos observados nas interações das partículas elementares. Somente em 1932 ele confirmou a hipótese de partículas adicionais no núcleo. Eles foram chamados de nêutrons, prótons neutros, porque. eles não tinham nenhum custo. É esta circunstância que determina sua maior capacidade de penetração - eles não gastam sua energia na ionização de átomos que se aproximam. A massa de um nêutron é ligeiramente maior que a massa de um próton - apenas cerca de 2,6 massas de elétrons a mais.

As propriedades químicas das substâncias e compostos formados por um determinado elemento são determinadas pelo número de prótons no núcleo do átomo. Com o tempo, foi confirmada a participação do próton em interações fortes e outras interações fundamentais: eletromagnéticas, gravitacionais e fracas. Além disso, apesar do nêutron não ter carga, em interações fortes o próton e o nêutron são considerados como uma partícula elementar, o nucleon, em vários estados quânticos. A semelhança no comportamento destas partículas é parcialmente explicada pelo facto de a massa de um neutrão diferir muito pouco da massa de um protão. A estabilidade dos prótons permite que eles sejam utilizados, após serem previamente acelerados a altas velocidades, como bombardeiros de partículas para a realização de reações nucleares.