Koje se elementarne čestice nazivaju nukleoni? Veza nukleona u jezgru.

I elektron se dobro uklapa u smjer kretanja eterskih tokova na njihovim površinama (kao što je prikazano na Slika 22). Stoga bi neutron, koji spolja izgleda kao elektron, trebao biti savršeno privučen protonom. Unatoč činjenici da dva protona ne mogu istovremeno imati iste prstenaste i toroidne rotacije, oni će se također međusobno privlačiti. Gledajući energije vezivanja dvaju svjetlosnih jezgara, možete vidjeti kako se čestice istog imena različito privlače. Na nejednakost veza između nukleona ukazuje sljedeća točka: deuterijum 2 N pokazuje da veza između protona i neutrona ima energiju od 2,225 MeV, tricij 3 N, koji ima dodatni neutron, ima nuklearnu energiju veze 3,8 puta veću nego kod deuterija i 0,763 MeV veće od helijuma 3 He. Ako protoni i neutroni nisu u interakciji sa svojom vrstom, tada bi se u tricijumu i heliju-3 (koji imaju dvije proton-neutronske veze) nukleoni postrojili, a energija veze jezgra bila bi ista i jednaka 2,225 2 = 4,45 MeV. A za alfa česticu, nuklearna energija bi bila samo 2,225 · 4 = 8,9 MeV. Međutim, to nije tačno. Čak će se dva protona privući, ali sa manjom silom od dva neutrona u jezgru. Očigledno je i da nukleoni pokazuju svoju asimetriju: ako pretpostavimo da je veza između protona i neutrona najjača, onda u jezgru od tri nukleona energija ne bi trebala prelaziti 3·2,225 MeV. Ali eksperimenti nuklearnih fizičara pokazuju suprotno, a jezgro od tri nukleona ima najmanje 1 MeV više energije! Pretpostavku o asimetriji indirektno potvrđuje berilijum 10 Be (64,979 MeV) sa vremenom poluraspada od 1,5 miliona godina, koji (sa istim brojem nukleona) ima nuklearnu energiju vezivanja veću od one sledećeg elementa u tabeli - stabilni izotop bora 10 B (64,753 MeV). Iz navedenog proizilazi da:

1. sila privlačenja nukleona je različita i zavisi od njihovog relativnog položaja: dodiruju se svojim krajevima ili su pritisnuti svojim stranama;
2. proton-proton i neutron-neutron veze nisu ekvivalentne: u grupi neutrona uzajamno privlačenje je jače nego u grupi protona;
3. maksimalna energija vezivanja ne znači stabilnost jezgra.

Iz asimetrije interakcije nukleona mogu se očekivati ​​razlike u strukturi i stabilnosti jezgara. Među lakim jezgrama (u kojima se broj protona i neutrona ne razlikuje mnogo) postoje takozvana zrcalna jezgra, koja se pretvaraju jedna u drugu kada se protoni zamjenjuju neutronima, a neutroni protonima. Njihove energije vezivanja razlikuju se u procentima, a njihov poluživot se razlikuje mnogo više. Primjeri mogu biti:

Proton i neutron se dobro privlače, ali ne zaboravite da proton aktivno izbacuje eter iz centralne rupe. Kada se dobije tačka oslonca, pojaviće se obrtni moment i proton će se rotirati tako da eter koji struji oko njega slobodno cirkuliše. A, ako je proton jedini susjed, onda će od svih mogućih pozicija najvjerovatnije okrenuti “leđa” neutronu (slika 31). Ovdje i ispod, radi pojednostavljenja crteža, simboli tačke ili križa u krugu pokazat će smjer kretanja (prema ili od čitača, respektivno) gornjih slojeva čestice.

Atom tricijuma ima dva neutrona i oni se više neće moći kombinovati sa protonom na isti način kao u deuteriju – doći će do preuređivanja. U prvoj fazi oni će biti povezani u liniju. Budući da se neutroni mogu slobodno kotrljati duž ekvatora protona, u drugoj fazi će se preurediti iz linije u trokut (slika 32a). Tada će se toroidni tokovi bočnih nukleona koji se približavaju poklopiti i oni će se međusobno odbijati kroz rotaciju prstena. Takvo odbijanje će dovesti do rotacije bočnih nukleona za 90 stepeni. To će smanjiti silu odbijanja (budući da je maksimalna na ekvatoru, a smanjuje se na polovima) i povećati privlačnost povećanjem kontaktne površine, povezujući se s krajevima na kojima se toroidni tokovi poklapaju u smjeru. U trećoj fazi, sa novom pozicijom neutrona, proton će se „osećati neprijatno“ zbog sukoba rotacije prstena. Također će se okrenuti za četvrtinu okreta i zauzeti poziciju u udubljenju između para neutrona (slika 32b).

U jezgru helijuma-3 će doći do sličnih preuređivanja i protoni će se okrenuti tako da „duvaju“ u suprotnim smjerovima (slika 33). Međutim, budući da je magnetni moment protona veći od neutrona, tada je njegova prstenasta brzina suprotno rotacije veća i stoga će dva protona divergirati dalje od dva neutrona u prethodnom primjeru. To će dovesti do smanjenja energije vezivanja jezgre u cjelini.

Spin jezgra (definisan kao vektorski zbir spinova elementarnih čestica) potvrđuje ovu strukturu: za vodonik je jednak 1/2; u deuteriju, dva nukleona rotiraju ko-smjerno, 1/2 + 1/2 = 1; u tricijumu i helijumu-3, dva nukleona gase rotaciju u antifazi, ali jedan ostaje nesparen, 1/2–1/2+1/2 = 1/2; tada bismo očekivali da jezgro helijuma-4 ima nulti spin. Ispravljanje ranih grešaka u konstrukciji α-čestice dalo je sljedeći rezultat. Kao što se vidi sa slike 34a, u modelu iz prvog rada napravljena je greška: sa ko-direkcionim položajem protona, oni su, prvo, formirali „mlazni potisak“ („perpetual motion“). Drugo, postalo bi nemoguće simetrično pozicionirati dva elektrona sa obe strane jezgre (nasuprot protonskim vrtlozima koji se izduvavaju) da bi se stvorio atom neutralnog naelektrisanja sa nultim spinom. S obzirom na činjenicu da se izduvane vrtložne cijevi protona odbijaju, one će rotirati protone kao što je prikazano na slici 34b. Međutim, ovim rasporedom između nukleona će se pojaviti „prazan prostor“, koji logično ne bi trebao postojati. Istovremeno, treba imati na umu nagli skok energije vezivanja između jezgri od tri nukleona i alfa čestice od četiri nukleona. Nukleoni koji se nalaze u istoj ravni imaće četiri kontaktne zone (u daljem tekstu ćemo zvati broj takvih zona kontakt). Ali već su četiri nukleona dovoljna da ih rasporede u volumen, na primjer, na vrhovima tetraedra. Tada će se broj kontakata između nukleona povećati sa 4 na 6! Otuda dolazi toliki porast nuklearne energije. I onda možemo reći da je, u prvoj aproksimaciji, stepen stabilnosti jezgara određen omjerom kontaktnog broja i broja nukleona: što je ova vrijednost veća, to je jezgro stabilnije. U sljedećoj aproksimaciji potrebno je dodatno uzeti u obzir smjer rotacije nukleona.

Ovaj raspored protona (razvijenih vrtložnom cijevi iz jezgre) nije u suprotnosti s Rutherfordovim eksperimentima, u kojima su alfa čestice bile odbijene od pozitivno nabijenih ciljnih jezgara. Osim toga, kao što će biti pokazano u nastavku, upravo ovi “spoljni” protoni određuju količinu naboja na jezgri i broj elektrona oko njega. Osim njih, postoje i "unutrašnji" protoni, koji se u klasičnoj teoriji smatraju "neutronima" zbog činjenice da eterski vrtlog koji ispuhuju ne napušta jezgro i nalazi se u "blokiranom" stanju. Vrijedi naglasiti da se takav proton s velikom vjerovatnoćom ne pretvara u neutron, već je njegov naboj u vezanom stanju, a njegova eterska cijev se zatvara oko najbližeg neutrona. Ovo se dešava ako već ima dovoljno nukleona da okruže dati proton sa svih strana. Za hemijske elemente sa atomskim brojem većim od 82, svi izotopi su radioaktivni i raspadaju se alfa ili beta raspadom. Tokom raspada, „fragmenti“ se mogu dobiti sa ukupnim brojem protona većim od atomskog broja originalnog elementa. U ovom slučaju ne mora nužno doći do emisije elektrona iz jezgra, tj. neutroni se ne raspadaju, već se ti isti „blokirani“ protoni jednostavno oslobađaju. Postoji hipoteza izražena u tome da se „stari“ neutroni mogu pretvoriti u protone apsorbirajući njihove elektronske ljuske. Tada se na jednom mjestu iz kombinacije, recimo, "blokirani proton + neutron", dobijaju dva protona "nos na nos" - takva blizina odmah razbija jezgro. Fragmenti atoma "prskanja" se raspadaju velikom brzinom i izazivaju lančanu reakciju u susjednim "ostarjelim" jezgrama, koja, ako ih ima veliki broj, može dovesti do nuklearne eksplozije, uključujući eksploziju supernove.

„Blokirani“ protoni se pojavljuju u jezgru, vjerovatno počevši od skandijuma (br. 21 u periodnom sistemu), jer u ovim elementima postoji višak neutrona nad protonima, prvo za nekoliko, a do kraja tabele - više od dvaput. Međutim, znamo da se toliki broj neutrona ne može izdržavati za komunikaciju potrebni su im protoni - vrtlozi sa suprotnim smjerom toroidalne rotacije; Gruba analogija makrokosmosa su zupčanici: kada radite u satu, desna i lijeva rotacija se izmjenjuju, osiguravajući rad mehanizma u cjelini.

Tetraneutron može poslužiti kao potvrda kratkog postojanja neutronskog jezgra. Neutroni mogu da formiraju ne samo leđnu vezu, već i da budu pritisnuti bočno, kao što sledi iz geometrijske konstrukcije (slika 35).

Ova metoda kombinovanja neutrona se činila najegzotičnijom i čisto hipotetičkom u vrijeme pisanja ovog paragrafa (siječanj 2016.). Čestica, koja se sastoji od četiri neutrona, predviđena je 2001. tokom eksperimenata od strane Francisco-Miguela Marqueza i njegovih kolega u Velikom nacionalnom akceleratoru teških jona u Caenu. Ali tek 2016. godine fizičari sa Instituta za fizička i hemijska istraživanja Japana prijavili su otkriće kandidata za titulu tetraneutrona. Autori su rezultate istraživanja objavili u februarskom izdanju časopisa Physical Review Letters. Ovo služi kao indirektni dokaz da eterodinamički pristup strukturi materije tvrdi da je teorija i da ima moć predviđanja.

U početku se pretpostavljalo da će u tetraneutronu čestice biti raspoređene kao karike u lancu spojenom u prsten (slika 36a). No, u procesu pisanja rada i analize energije vezivanja jezgara, model je transformiran iz ravnog u trodimenzionalni, a u pogledu rasporeda nukleona počeo se malo razlikovati od alfa čestice (slika 36b). Takvu česticu će biti veoma teško detektovati, jer ona nema ni magnetsko polje (parovi neutrona rotiraju u antifazi) niti naelektrisanje. Zbog kontra tokova rotacije prstena, tetraneutron neće moći postojati dugo vremena i raspadaće se.

Ako se neutroni mogu kombinovati jedni s drugima, zašto onda dva pojedinačna protona ne mogu biti zajedno? Vizuelnim prikazom smjera strujanja etra oko njih strelicama možete pronaći takav međusobni položaj dva protona pri kojem će se oni privlačiti (slika 37a). Praksa pokazuje da je ova veza izuzetno nestabilna. Za razliku od neutrona, “izduvavanje” toka etera iz centralne rupe za njih nije blokirano (slika 37b). Ovo će uzrokovati da se protoni rotiraju pri mlaznom potisku blizu krhke ravnotežne pozicije (slika 37c). Nije isključena „leđa uz leđa“ veza sa eteričnim cijevima prema van, ali je to još nestabilnija ravnoteža. Na kraju će ili odletjeti, ili će jedan od njih postati neutron. Pretpostavlja se da će se takva transformacija odvijati prema sljedećoj shemi: uvlačenje okolnog etra, njegovo hlađenje zbog smanjenog pritiska između protona, nakon čega slijedi zbijanje i pričvršćivanje susjednog sloja hladnog etra na proton u obliku sekundarnog vrtlog (slika 37d). Međutim, ako pored protona u jezgri nekog hemijskog elementa ima i neutrona, oni će moći da zaustave rotaciju. Pretpostavlja se da će u složenijem jezgru čak i nekoliko protona moći stajati jedan pored drugog ako se u donjem sloju ispod njih nalaze neutroni. Zbog činjenice da je neutron nešto veći od protona, potonji se neće nalaziti blizu jedan drugome, već na određenoj udaljenosti, smješteni u "rupama" između neutrona.

Sredina prošlog vijeka označila je rođenje nove ere u ljudskoj istoriji. Kameno doba je jednom ustupilo mjesto bronzanom, nakon čega su uslijedila uzastopna razdoblja vladavine gvožđa, pare i struje. Sada smo na samom početku ere atoma. Čak i najpovršnije znanje u oblasti strukture atomskog jezgra otvara čovečanstvu horizonte bez presedana.

Šta znamo o atomskom jezgru? Činjenica da čini 99,99% mase cijelog atoma i sastoji se od čestica koje se obično nazivaju nukleoni. Šta su nukleoni, koliko ih ima, koje su vrste, sada zna svaki srednjoškolac sa ravnom B iz fizike.

Kako zamišljamo strukturu atoma?

Nažalost, neće se uskoro pojaviti tehnologija koja će nam omogućiti da razaznamo čestice koje čine atom, atomsko jezgro. Postoje hiljade pitanja o tome kako materija radi, a postoje i mnoge teorije o strukturi elementarnih čestica. Danas je teorija koja odgovara na većinu pitanja planetarna

Prema njemu, negativno nabijeni elektroni rotiraju oko pozitivno nabijenog jezgra, koje drži električna privlačnost. Šta su nukleoni? Činjenica je da jezgro nije monolitno, ono se sastoji od pozitivno nabijenih protona i neutrona - čestica s nultim nabojem. To su čestice od kojih je izgrađeno atomsko jezgro, a obično se nazivaju nukleoni.

Odakle ova teorija ako su čestice tako male? Naučnici su došli do zaključka o planetarnoj strukturi atoma usmjeravajući snopove različitih mikročestica na najtanje metalne ploče.

Koje su njegove dimenzije

Znanje o njemu neće biti potpuno ako ne zamislite njegove elemente u mjeri. Jezgro je izuzetno malo čak i u poređenju sa samim atomom. Ako u svojoj mašti zamislite atom, na primjer, zlata u obliku ogromnog balona prečnika 200 metara, onda će njegova jezgra biti samo... lješnjak. Ali šta su nukleoni i zašto igraju tako važnu ulogu? Da, makar samo zato što je u njima koncentrirana cijela masa atoma.

U gnijezdima kristalne rešetke atomi zlata smješteni su prilično gusto, tako da će udaljenost između susjednih „oraha“ na skali koju prihvatamo biti oko 250-300 metara.

Proton

Naučnici su dugo sumnjali da jezgro atoma nije neka monolitna supstanca. Vrijednosti mase i naboja, koje su rasle u "koracima" od jednog do drugog kemijskog elementa, bile su bolno upečatljive. Logično je bilo pretpostaviti da postoje određene čestice sa fiksnim pozitivnim nabojem, od kojih se „skupljaju“ jezgra svih atoma. Koliko pozitivno nabijenih nukleona ima u jezgru, to će biti njegov naboj.

Pretpostavke o složenoj strukturi atomskog jezgra date su čak iu periodu kada je Mendeljejev konstruisao svoj periodni sistem elemenata. Međutim, u to vrijeme nisu postojale tehničke mogućnosti za eksperimentalno potvrđivanje nagađanja. Tek početkom 20. stoljeća izveden je eksperiment koji je potvrdio postojanje protona.

Kao rezultat izlaganja materije zračenju radioaktivnih metala, s vremena na vrijeme se pojavila čestica - kopija jezgre atoma vodika. Imao je istu težinu (1,67 ∙ 10 -27 kg) i atomski naboj +1.

Neutron

Do zaključka o potrebi traženja druge čestice, nazvane neutron u odsustvu, došlo je brzo. Budući da je pitanje koliko nukleona ima u jezgru i koje su vrste, ležalo je u neravnomjernom rastu mase i naboja s promjenom atomskog broja elementa. Rutherford je iznio pretpostavku o postojanju protonskog blizanca s nultim nabojem, ali nije mogao potvrditi svoju pretpostavku.

Generalno, nuklearni naučnici su već imali dobru ideju o tome šta su nukleoni i količinski sastav atomskih jezgara. A neuhvatljiva čestica, koju još niko nije eksperimentalno otkrio, čekala je u krilima. Općenito je prihvaćeno da je njegov otkrivač bio neko ko je uspio izolirati "nevidljivost" iz materije bombardirajući je jezgrima helijuma (α-česticama) ubrzanim do ultra velikih brzina. Ispostavilo se da je masa čestice, očekivano, jednaka masi prethodno otkrivenog protona. Prema savremenim istraživanjima, neutron je nešto teži.

Još malo o "građevnim blokovima" atomskog jezgra

Nije teško izračunati koliko nukleona ima u jezgru određenog hemijskog elementa ili njegovog izotopa. Da biste to učinili, potrebne su vam dvije stvari: periodni sistem i kalkulator, iako možete računati u svojoj glavi. Primjer su dva uobičajena izotopa uranijuma: 235 i 238. Ovi brojevi označavaju atomsku masu. Serijski broj uranijuma je 92, on uvijek označava naboj jezgra.

Kao što je poznato, nukleoni u jezgri atoma mogu biti ili pozitivno nabijeni protoni ili neutroni iste mase, ali bez naboja. Atomski broj 92 predstavlja broj protona u jezgru. Broj neutrona se izračunava jednostavnim oduzimanjem:

• - uranijum 235, broj neutrona = 235 - 92 = 143;
• - uranijum 238, broj neutrona = 238 - 92 = 146.

Koliko se nukleona može skupiti odjednom? Vjeruje se da se u određenoj fazi života zvijezda s dovoljnom masom, kada termonuklearna reakcija više nije u stanju obuzdati silu gravitacije, pritisak u utrobi zvijezde toliko raste da "lijepi" elektrone za protona. Kao rezultat, naboj postaje nula, a par proton-elektron postaje neutron. Dobivena supstanca, koja se sastoji od „prešanih“ neutrona, izuzetno je gusta.

Zvijezda teška koliko i naše Sunce pretvara se u loptu promjera nekoliko desetina kilometara. Kašičica takve "neutronske kaše" mogla bi težiti nekoliko stotina tona na Zemlji.

NUCLEON, zajednički naziv za proton i neutron - čestice koje čine jezgra atoma. Nukleoni čine većinu mase atoma. Uprkos razlikama u nekim svojstvima i ponašanju, neutroni i protoni, prema fizičarima, dovoljno su slični da se smatraju članovima iste porodice, baš kao što biolozi pse i vukove klasifikuju kao pripadnike iste vrste. Tako se njihove mase razlikuju za najviše 1%, a leđa su im ista. Osim toga, sile koje djeluju između dva neutrona ili dva protona na malim udaljenostima (10-15 m ili manje) su gotovo identične. Najznačajnija razlika između protona i neutrona je prisustvo električnog naboja na protonu, kojeg neutron, kako mu ime govori, nema.

Jezgro najjednostavnijeg atoma, atoma vodika, je proton. Jezgra drugih atoma sastoje se od protona i neutrona. Činjenicu da je jezgro vodonika osnovna čestica materije ustanovio je E. Rutherford, koji je pokazao da je masa pozitivnog naboja atoma koncentrisana u vrlo malom prostoru prostora, i nazvao ga proton. Masa protona je 1,67 × 10 –24 g, tj. otprilike 1836 puta veća od mase elektrona. Električni naboj protona (1,6H 10 –19 C) jednak je po veličini, ali suprotan po predznaku naboju elektrona. Kao i elektron, proton ima spin različit od nule, što se može zamisliti kao karakteristika rotacije čestice oko svoje ose, slično dnevnoj rotaciji Zemlje. Spin protona je jednak h /2str, Gdje h– fundamentalna fizička konstanta koja se zove Plankova konstanta. Ako je proton u magnetskom polju, tada njegov spin precesira kao vrh koji precesira pod uticajem gravitacije. Brzina ove precesije određena je magnetnim momentom, koji je za proton jednak 1,4H 10 –26 J/T i čiji se smjer poklapa sa smjerom okretanja (tj. osom rotacije).

Iako je Rutherford još 1920. godine priznao postojanje neutrona u jezgrima, prvi uvjerljivi dokazi o postojanju ovih čestica došao je iz rada njegovog asistenta J. Chadwicka iz 1932. godine. Chadwick je zračio berilijum alfa česticama iz radioaktivnog izvora. Već tada se znalo da ozračeni berilij postaje izvor novog zračenja. Ovo zračenje, prilikom sudara sa drugim jezgrama, izbacuje protone iz njih. Chadwick je predložio da je berilijumsko zračenje tok čestica mase približno iste kao proton, ali bez električnog naboja. On je takve čestice nazvao neutronima.

Masa neutrona je nešto veća od mase protona i 1839 puta veća od mase elektrona. Poput protona, spin neutrona je jednak h/2str. Neutron takođe ima magnetni moment jednak 9H 10 –27 J/T, tj. približno 2/3 magnetnog momenta protona. Ali, za razliku od protona ( vidi gore), magnetni moment neutrona je orijentisan suprotno njegovom spinu (os rotacije). Postojanje magnetskog momenta u neutronu, čestici koja nema električni naboj, ukazuje na to da je malo vjerovatno da je ta čestica elementarna i da je izgrađena od drugih čestica, uključujući i one s električnim nabojem.

U modernoj fizici ideja o strukturi nukleona zasniva se na modelu kvarka. Prema potonjem, nukleoni se sastoje od tri vrste jednostavnijih čestica koje se nazivaju kvarkovi. Ako je električni naboj protona označen sa e, tada će proton sadržavati dva kvarka sa nabojem +(2/3 e) i jedan kvark sa nabojem –(1/3 e), a neutron je jedan kvark sa nabojem +(2/3 e) i dva kvarka s nabojem –(1/3) e. Model kvarka dobio je uvjerljivu potvrdu u eksperimentima o raspršenju elektrona visoke energije, koji su, u interakciji s nukleonima, otkrili prisutnost unutrašnje strukture u njima.

Za razliku od protona, neutron je nestabilan; U prosjeku, nakon 15 minuta, slobodni neutron spontano se pretvara u proton, elektron i antineutrino. Neutroni koji su dio stabilnih jezgara ne prolaze kroz takve transformacije.

Zbog prisustva naboja i magnetnog momenta, protoni reaguju na električna i magnetna polja. Primjer je nuklearna magnetna tomografija. Protonski spinovi doživljavaju precesiju u magnetskom polju. Snimanjem signala nuklearne magnetne rezonancije ovih protona pod utjecajem vanjskog elektromagnetnog zračenja, moguće je dobiti sliku raspodjele atoma vodika u tvari. Neutronima je teže manipulisati. Ali zbog odsustva električnog naboja, neutroni mnogo lakše prodiru u atomska jezgra nego nabijene čestice. U ovom slučaju, neutroni izazivaju transformacije slične nuklearnoj fisiji, koja služi kao izvor električne energije u ogromnim razmjerima.