Μελετώντας τη δομή της ύλης, οι φυσικοί ανακάλυψαν από τι αποτελούνται τα άτομα, έφτασαν στον ατομικό πυρήνα και τον χώρισαν σε πρωτόνια και νετρόνια. Όλα αυτά τα βήματα δόθηκαν αρκετά εύκολα - έπρεπε απλώς να επιταχύνετε τα σωματίδια στην απαιτούμενη ενέργεια, να τα σπρώξετε το ένα εναντίον του άλλου και στη συνέχεια τα ίδια θα διαλυθούν στα συστατικά τους μέρη.
Αλλά με τα πρωτόνια και τα νετρόνια αυτό το κόλπο δεν λειτουργούσε πλέον. Αν και είναι σύνθετα σωματίδια, δεν μπορούν να «σπάσουν σε κομμάτια» ακόμη και στην πιο βίαιη σύγκρουση. Επομένως, χρειάστηκαν δεκαετίες οι φυσικοί για να βρουν διαφορετικούς τρόπους για να κοιτάξουν μέσα στο πρωτόνιο, να δουν τη δομή και το σχήμα του. Σήμερα, η μελέτη της δομής του πρωτονίου είναι ένας από τους πιο ενεργούς τομείς της σωματιδιακής φυσικής.
Η φύση δίνει υποδείξεις
Η ιστορία της μελέτης της δομής των πρωτονίων και των νετρονίων χρονολογείται από τη δεκαετία του 1930. Όταν, εκτός από τα πρωτόνια, ανακαλύφθηκαν και νετρόνια (1932), έχοντας μετρήσει τη μάζα τους, οι φυσικοί διαπίστωσαν έκπληκτοι ότι ήταν πολύ κοντά στη μάζα ενός πρωτονίου. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια «αισθάνονται» την πυρηνική αλληλεπίδραση με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Τόσο πανομοιότυπα που, από την άποψη των πυρηνικών δυνάμεων, ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο μπορούν να θεωρηθούν ως δύο εκδηλώσεις του ίδιου σωματιδίου - ενός νουκλεονίου: ένα πρωτόνιο είναι ένα ηλεκτρικά φορτισμένο νουκλεόνιο και ένα νετρόνιο είναι ένα ουδέτερο νουκλεόνιο. Ανταλλάξτε πρωτόνια με νετρόνια και πυρηνικές δυνάμεις (σχεδόν) δεν θα παρατηρήσουν τίποτα.
Οι φυσικοί εκφράζουν αυτή την ιδιότητα της φύσης ως συμμετρία - η πυρηνική αλληλεπίδραση είναι συμμετρική όσον αφορά την αντικατάσταση των πρωτονίων με νετρόνια, όπως μια πεταλούδα είναι συμμετρική ως προς την αντικατάσταση του αριστερού με το δεξί. Αυτή η συμμετρία, εκτός από το ότι έπαιζε σημαντικό ρόλο στην πυρηνική φυσική, ήταν στην πραγματικότητα ο πρώτος υπαινιγμός ότι τα νουκλεόνια είχαν μια ενδιαφέρουσα εσωτερική δομή. Είναι αλήθεια, λοιπόν, στη δεκαετία του '30, οι φυσικοί δεν συνειδητοποίησαν αυτόν τον υπαινιγμό.
Η κατανόηση ήρθε αργότερα. Ξεκίνησε με το γεγονός ότι στη δεκαετία του 1940–50, στις αντιδράσεις των συγκρούσεων πρωτονίων με τους πυρήνες διαφόρων στοιχείων, οι επιστήμονες εξεπλάγησαν όταν ανακάλυψαν όλο και περισσότερα νέα σωματίδια. Όχι πρωτόνια, όχι νετρόνια, όχι τα πι-μεσόνια που ανακαλύφθηκαν εκείνη την εποχή, τα οποία κρατούν νουκλεόνια στους πυρήνες, αλλά μερικά εντελώς νέα σωματίδια. Παρά την ποικιλομορφία τους, αυτά τα νέα σωματίδια είχαν δύο κοινές ιδιότητες. Πρώτον, όπως τα νουκλεόνια, συμμετείχαν πολύ πρόθυμα σε πυρηνικές αλληλεπιδράσεις - τώρα τέτοια σωματίδια ονομάζονται αδρόνια. Και δεύτερον, ήταν εξαιρετικά ασταθείς. Τα πιο ασταθή από αυτά διασπάστηκαν σε άλλα σωματίδια σε μόλις ένα τρισεκατομμυριοστό του νανοδευτερόλεπτου, χωρίς να προλάβουν καν να πετάξουν στο μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα!
Για πολύ καιρό, ο «ζωολογικός κήπος» αδρονίων ήταν ένα πλήρες χάος. Στα τέλη της δεκαετίας του 1950, οι φυσικοί είχαν ήδη μάθει αρκετά διαφορετικά είδη αδρονίων, άρχισαν να τα συγκρίνουν μεταξύ τους και ξαφνικά είδαν μια ορισμένη γενική συμμετρία, ακόμη και περιοδικότητα, στις ιδιότητές τους. Προτάθηκε ότι μέσα σε όλα τα αδρόνια (συμπεριλαμβανομένων των νουκλεονίων) υπάρχουν μερικά απλά αντικείμενα που ονομάζονται «κουάρκ». Συνδυάζοντας τα κουάρκ με διαφορετικούς τρόπους, είναι δυνατό να ληφθούν διαφορετικά αδρόνια, και ακριβώς του ίδιου τύπου και με τις ίδιες ιδιότητες που ανακαλύφθηκαν στο πείραμα.
Τι κάνει ένα πρωτόνιο πρωτόνιο;
Αφού οι φυσικοί ανακάλυψαν τη δομή των κουάρκ των αδρονίων και έμαθαν ότι τα κουάρκ υπάρχουν σε πολλές διαφορετικές ποικιλίες, έγινε σαφές ότι πολλά διαφορετικά σωματίδια μπορούσαν να κατασκευαστούν από κουάρκ. Έτσι κανείς δεν εξεπλάγη όταν τα επόμενα πειράματα συνέχισαν να βρίσκουν νέα αδρόνια το ένα μετά το άλλο. Αλλά ανάμεσα σε όλα τα αδρόνια, ανακαλύφθηκε μια ολόκληρη οικογένεια σωματιδίων, που αποτελούνταν, όπως το πρωτόνιο, μόνο από δύο u-κουάρκ και ένα ρε-κουάρκ. Ένα είδος «αδερφού» του πρωτονίου. Και εδώ οι φυσικοί αντιμετώπισαν μια έκπληξη.
Ας κάνουμε πρώτα μια απλή παρατήρηση. Εάν έχουμε πολλά αντικείμενα που αποτελούνται από τα ίδια «τούβλα», τότε τα βαρύτερα αντικείμενα περιέχουν περισσότερα «τούβλα» και τα ελαφρύτερα περιέχουν λιγότερα. Αυτή είναι μια πολύ φυσική αρχή, η οποία μπορεί να ονομαστεί αρχή του συνδυασμού ή η αρχή της υπερδομής και λειτουργεί τέλεια τόσο στην καθημερινή ζωή όσο και στη φυσική. Εκδηλώνεται ακόμη και στη δομή των ατομικών πυρήνων - εξάλλου, οι βαρύτεροι πυρήνες αποτελούνται απλώς από μεγαλύτερο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων.
Ωστόσο, στο επίπεδο των κουάρκ αυτή η αρχή δεν λειτουργεί καθόλου και, ομολογουμένως, οι φυσικοί δεν έχουν ακόμη καταλάβει πλήρως το γιατί. Αποδεικνύεται ότι τα βαριά αδέρφια του πρωτονίου αποτελούνται επίσης από τα ίδια κουάρκ με το πρωτόνιο, αν και είναι μιάμιση ή και δύο φορές βαρύτερα από το πρωτόνιο. Διαφέρουν από το πρωτόνιο (και διαφέρουν μεταξύ τους) όχι σύνθεση,και αμοιβαία τοποθεσίακουάρκ, από την κατάσταση στην οποία αυτά τα κουάρκ είναι σχετικά μεταξύ τους. Αρκεί να αλλάξουμε τη σχετική θέση των κουάρκ - και από το πρωτόνιο θα πάρουμε ένα άλλο, αισθητά βαρύτερο, σωματίδιο.
Τι θα συμβεί αν ακόμα πάρετε και συλλέξετε περισσότερα από τρία κουάρκ μαζί; Θα υπάρξει νέο βαρύ σωματίδιο; Παραδόξως, δεν θα λειτουργήσει - τα κουάρκ θα χωριστούν σε τρία και θα μετατραπούν σε πολλά διάσπαρτα σωματίδια. Για κάποιο λόγο, η φύση «δεν αρέσει» να συνδυάζει πολλά κουάρκ σε ένα σύνολο! Μόνο πολύ πρόσφατα, κυριολεκτικά τα τελευταία χρόνια, άρχισαν να εμφανίζονται υπαινιγμοί ότι ορισμένα σωματίδια πολλαπλών κουάρκ υπάρχουν, αλλά αυτό τονίζει μόνο πόσο πολύ δεν αρέσουν στη φύση.
Ένα πολύ σημαντικό και βαθύ συμπέρασμα προκύπτει από αυτή τη συνδυαστική - η μάζα των αδρονίων δεν αποτελείται καθόλου από τη μάζα των κουάρκ. Αλλά αν η μάζα ενός αδρονίου μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί απλά ανασυνδυάζοντας τα τούβλα που το αποτελούν, τότε δεν είναι τα ίδια τα κουάρκ που είναι υπεύθυνα για τη μάζα των αδρονίων. Και πράγματι, σε μεταγενέστερα πειράματα ήταν δυνατό να διαπιστωθεί ότι η μάζα των ίδιων των κουάρκ είναι μόνο περίπου το δύο τοις εκατό της μάζας του πρωτονίου και το υπόλοιπο της βαρύτητας προκύπτει λόγω του πεδίου δύναμης (ειδικά σωματίδια - γκλουόνια) που συνδέουν τα κουάρκ μεταξύ τους. Αλλάζοντας τη σχετική θέση των κουάρκ, για παράδειγμα, απομακρύνοντάς τα το ένα από το άλλο, αλλάζουμε έτσι το νέφος γκλουονίων, καθιστώντας το πιο μαζικό, γι' αυτό και η μάζα αδρονίων αυξάνεται (Εικ. 1).
Τι συμβαίνει μέσα σε ένα ταχέως κινούμενο πρωτόνιο;
Όλα όσα περιγράφηκαν παραπάνω αφορούν ένα ακίνητο πρωτόνιο· στη γλώσσα των φυσικών, αυτή είναι η δομή του πρωτονίου στο πλαίσιο ηρεμίας του. Ωστόσο, στο πείραμα, η δομή του πρωτονίου ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά κάτω από άλλες συνθήκες - στο εσωτερικό γρήγορο πέταγμαπρωτόνιο.
Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, σε πειράματα σε συγκρούσεις σωματιδίων σε επιταχυντές, παρατηρήθηκε ότι τα πρωτόνια που ταξίδευαν με ταχύτητα σχεδόν φωτός συμπεριφέρονταν σαν η ενέργεια μέσα τους να μην κατανεμήθηκε ομοιόμορφα, αλλά να συγκεντρωνόταν σε μεμονωμένα συμπαγή αντικείμενα. Ο διάσημος φυσικός Richard Feynman πρότεινε να ονομαστούν αυτές οι συστάδες ύλης μέσα σε πρωτόνια παρτών(από τα Αγγλικά μέρος -Μέρος).
Τα επόμενα πειράματα εξέτασαν πολλές από τις ιδιότητες των παρτονίων - για παράδειγμα, το ηλεκτρικό τους φορτίο, τον αριθμό τους και το κλάσμα της ενέργειας πρωτονίων που φέρει το καθένα. Αποδεικνύεται ότι τα φορτισμένα παρτόνια είναι κουάρκ και τα ουδέτερα παρτόνια είναι γκλουόνια. Ναι, αυτά τα ίδια γκλουόνια, τα οποία στο πλαίσιο ηρεμίας του πρωτονίου απλώς «εξυπηρέτησαν» τα κουάρκ, προσελκύοντάς τα μεταξύ τους, είναι τώρα ανεξάρτητα παρτόνια και, μαζί με τα κουάρκ, φέρουν την «ύλη» και την ενέργεια ενός ταχέως κινούμενου πρωτονίου. Πειράματα έδειξαν ότι περίπου η μισή ενέργεια αποθηκεύεται σε κουάρκ και η μισή σε γκλουόνια.
Τα παρτόνια μελετώνται πιο εύκολα σε συγκρούσεις πρωτονίων με ηλεκτρόνια. Το γεγονός είναι ότι, σε αντίθεση με ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο δεν συμμετέχει σε ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις και η σύγκρουσή του με ένα πρωτόνιο φαίνεται πολύ απλή: το ηλεκτρόνιο εκπέμπει ένα εικονικό φωτόνιο για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, το οποίο συντρίβεται σε ένα φορτισμένο παρτόνιο και τελικά δημιουργεί ένα μεγάλος αριθμός σωματιδίων (Εικ. 2). Μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρόνιο είναι ένα εξαιρετικό νυστέρι για το «άνοιγμα» του πρωτονίου και τη διαίρεση του σε ξεχωριστά μέρη - ωστόσο, μόνο για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Γνωρίζοντας πόσο συχνά συμβαίνουν τέτοιες διεργασίες σε έναν επιταχυντή, μπορεί κανείς να μετρήσει τον αριθμό των παρτονίων μέσα σε ένα πρωτόνιο και τα φορτία τους.
Ποιοι είναι πραγματικά οι Πάρτον;
Και εδώ φτάνουμε σε μια άλλη εκπληκτική ανακάλυψη που έκαναν οι φυσικοί μελετώντας τις συγκρούσεις στοιχειωδών σωματιδίων σε υψηλές ενέργειες.
Υπό κανονικές συνθήκες, το ερώτημα από τι αποτελείται αυτό ή εκείνο το αντικείμενο έχει μια καθολική απάντηση για όλα τα συστήματα αναφοράς. Για παράδειγμα, ένα μόριο νερού αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου - και δεν έχει σημασία αν κοιτάμε ένα ακίνητο ή κινούμενο μόριο. Ωστόσο, αυτός ο κανόνας φαίνεται τόσο φυσικός! - παραβιάζεται αν μιλάμε για στοιχειώδη σωματίδια που κινούνται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Σε ένα πλαίσιο αναφοράς, ένα σύνθετο σωματίδιο μπορεί να αποτελείται από ένα σύνολο υποσωματιδίων και σε ένα άλλο πλαίσιο αναφοράς, από ένα άλλο. Τελικά φαίνεται πως Η σύνθεση είναι μια σχετική έννοια!
Πώς μπορεί αυτό να είναι? Το κλειδί εδώ είναι μια σημαντική ιδιότητα: ο αριθμός των σωματιδίων στον κόσμο μας δεν είναι σταθερός - τα σωματίδια μπορούν να γεννηθούν και να εξαφανιστούν. Για παράδειγμα, αν πιέσετε μαζί δύο ηλεκτρόνια με αρκετά υψηλή ενέργεια, τότε εκτός από αυτά τα δύο ηλεκτρόνια, μπορεί να γεννηθεί είτε ένα φωτόνιο, είτε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων ή κάποια άλλα σωματίδια. Όλα αυτά επιτρέπονται από κβαντικούς νόμους, και αυτό ακριβώς συμβαίνει στα πραγματικά πειράματα.
Αλλά αυτός ο «νόμος της μη διατήρησης» των σωματιδίων λειτουργεί σε περίπτωση σύγκρουσηςσωματίδια. Πώς συμβαίνει το ίδιο πρωτόνιο από διαφορετικές απόψεις να μοιάζει σαν να αποτελείται από διαφορετικό σύνολο σωματιδίων; Το θέμα είναι ότι ένα πρωτόνιο δεν είναι μόνο τρία κουάρκ μαζί. Υπάρχει ένα πεδίο δύναμης γλουονίου μεταξύ των κουάρκ. Γενικά, ένα πεδίο δύναμης (όπως ένα βαρυτικό ή ηλεκτρικό πεδίο) είναι ένα είδος υλικής «οντότητας» που διαπερνά το διάστημα και επιτρέπει στα σωματίδια να ασκούν ισχυρή επιρροή το ένα στο άλλο. Στην κβαντική θεωρία, το πεδίο αποτελείται επίσης από σωματίδια, αν και ειδικά - εικονικά. Ο αριθμός αυτών των σωματιδίων δεν είναι σταθερός· συνεχώς «αναβλύζουν» από κουάρκ και απορροφώνται από άλλα κουάρκ.
ΞεκούρασηΈνα πρωτόνιο μπορεί πραγματικά να θεωρηθεί ως τρία κουάρκ με γκλουόνια να πηδούν ανάμεσά τους. Αλλά αν δούμε το ίδιο πρωτόνιο από διαφορετικό πλαίσιο αναφοράς, σαν από το παράθυρο ενός «σχετιστικού τρένου» που περνά, θα δούμε μια εντελώς διαφορετική εικόνα. Αυτά τα εικονικά γκλουόνια που κόλλησαν τα κουάρκ μεταξύ τους θα φαίνονται λιγότερο εικονικά, «πιο αληθινά» σωματίδια. Φυσικά, εξακολουθούν να γεννιούνται και να απορροφώνται από τα κουάρκ, αλλά την ίδια στιγμή ζουν μόνα τους για κάποιο χρονικό διάστημα, πετώντας δίπλα στα κουάρκ, σαν πραγματικά σωματίδια. Αυτό που μοιάζει με ένα απλό πεδίο δύναμης σε ένα πλαίσιο αναφοράς μετατρέπεται σε ένα ρεύμα σωματιδίων σε ένα άλλο πλαίσιο! Σημειώστε ότι δεν αγγίζουμε το ίδιο το πρωτόνιο, αλλά το βλέπουμε μόνο από ένα διαφορετικό πλαίσιο αναφοράς.
Περαιτέρω περισσότερα. Όσο πιο κοντά είναι η ταχύτητα του «σχετιστικού τρένου» μας στην ταχύτητα του φωτός, τόσο πιο εκπληκτική είναι η εικόνα που θα δούμε μέσα στο πρωτόνιο. Καθώς πλησιάζουμε την ταχύτητα του φωτός, θα παρατηρήσουμε ότι υπάρχουν όλο και περισσότερα γκλουόνια μέσα στο πρωτόνιο. Επιπλέον, μερικές φορές χωρίζονται σε ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ, τα οποία επίσης πετούν κοντά και θεωρούνται επίσης παρτόνια. Ως αποτέλεσμα, ένα υπερσχετιστικό πρωτόνιο, δηλαδή ένα πρωτόνιο που κινείται σε σχέση με εμάς με ταχύτητα πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός, εμφανίζεται με τη μορφή αλληλοδιεισδυτικών νεφών κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουονίων που πετούν μαζί και φαίνεται να υποστηρίζουν το ένα το άλλο (Εικ. . 3).
Ένας αναγνώστης που γνωρίζει τη θεωρία της σχετικότητας μπορεί να προβληματιστεί. Όλη η φυσική βασίζεται στην αρχή ότι οποιαδήποτε διαδικασία προχωρά με τον ίδιο τρόπο σε όλα τα αδρανειακά συστήματα αναφοράς. Αλλά αποδεικνύεται ότι η σύνθεση του πρωτονίου εξαρτάται από το πλαίσιο αναφοράς από το οποίο το παρατηρούμε;!
Ναι, ακριβώς, αλλά αυτό σε καμία περίπτωση δεν παραβιάζει την αρχή της σχετικότητας. Τα αποτελέσματα των φυσικών διεργασιών - για παράδειγμα, ποια σωματίδια και πόσα παράγονται ως αποτέλεσμα μιας σύγκρουσης - αποδεικνύονται αμετάβλητα, αν και η σύνθεση του πρωτονίου εξαρτάται από το πλαίσιο αναφοράς.
Αυτή η κατάσταση, ασυνήθιστη με την πρώτη ματιά, αλλά ικανοποιώντας όλους τους νόμους της φυσικής, απεικονίζεται σχηματικά στο Σχήμα 4. Δείχνει πώς φαίνεται η σύγκρουση δύο πρωτονίων με υψηλή ενέργεια σε διαφορετικά πλαίσια αναφοράς: στο υπόλοιπο πλαίσιο ενός πρωτονίου, στο το κέντρο του πλαισίου μάζας, στο υπόλοιπο πλαίσιο ενός άλλου πρωτονίου. Η αλληλεπίδραση μεταξύ πρωτονίων πραγματοποιείται μέσω ενός καταρράκτη διαχωριστικών γκλουονίων, αλλά μόνο σε μια περίπτωση αυτός ο καταρράκτης θεωρείται το «μέσα» ενός πρωτονίου, σε μια άλλη περίπτωση θεωρείται μέρος ενός άλλου πρωτονίου και στην τρίτη είναι απλώς κάποιο αντικείμενο που ανταλλάσσεται μεταξύ δύο πρωτονίων. Αυτός ο καταρράκτης υπάρχει, είναι πραγματικός, αλλά σε ποιο μέρος της διαδικασίας θα πρέπει να αποδοθεί εξαρτάται από το πλαίσιο αναφοράς.
τρισδιάστατο πορτρέτο ενός πρωτονίου
Όλα τα αποτελέσματα για τα οποία μόλις μιλήσαμε βασίστηκαν σε πειράματα που έγιναν πριν από πολύ καιρό - τη δεκαετία του 60-70 του περασμένου αιώνα. Φαίνεται ότι από τότε όλα θα έπρεπε να έχουν μελετηθεί και όλες οι ερωτήσεις να έχουν βρει τις απαντήσεις τους. Αλλά όχι - η δομή του πρωτονίου εξακολουθεί να παραμένει ένα από τα πιο ενδιαφέροντα θέματα στη σωματιδιακή φυσική. Επιπλέον, το ενδιαφέρον για αυτό έχει αυξηθεί ξανά τα τελευταία χρόνια επειδή οι φυσικοί έχουν καταλάβει πώς να αποκτήσουν ένα «τρισδιάστατο» πορτρέτο ενός ταχέως κινούμενου πρωτονίου, το οποίο αποδείχθηκε πολύ πιο δύσκολο από ένα πορτρέτο ενός ακίνητου πρωτονίου.
Τα κλασικά πειράματα στις συγκρούσεις πρωτονίων λένε μόνο για τον αριθμό των παρτονίων και την κατανομή της ενέργειας τους. Σε τέτοια πειράματα, τα παρτόνια συμμετέχουν ως ανεξάρτητα αντικείμενα, πράγμα που σημαίνει ότι είναι αδύνατο να μάθουμε από αυτά πώς βρίσκονται τα παρτόνια μεταξύ τους ή πώς ακριβώς αθροίζονται σε ένα πρωτόνιο. Μπορούμε να πούμε ότι για μεγάλο χρονικό διάστημα μόνο ένα «μονοδιάστατο» πορτρέτο ενός ταχέως κινούμενου πρωτονίου ήταν διαθέσιμο στους φυσικούς.
Προκειμένου να κατασκευαστεί ένα πραγματικό, τρισδιάστατο πορτρέτο ενός πρωτονίου και να διαπιστωθεί η κατανομή των παρτονίων στο διάστημα, απαιτούνται πολύ πιο λεπτά πειράματα από αυτά που ήταν δυνατά πριν από 40 χρόνια. Οι φυσικοί έμαθαν να πραγματοποιούν τέτοια πειράματα πολύ πρόσφατα, κυριολεκτικά την τελευταία δεκαετία. Συνειδητοποίησαν ότι ανάμεσα στον τεράστιο αριθμό διαφορετικών αντιδράσεων που συμβαίνουν όταν ένα ηλεκτρόνιο συγκρούεται με ένα πρωτόνιο, υπάρχει μια ειδική αντίδραση - βαθιά εικονική σκέδαση Compton, - που μπορεί να μας πει για την τρισδιάστατη δομή του πρωτονίου.
Γενικά, η σκέδαση Compton, ή το φαινόμενο Compton, είναι η ελαστική σύγκρουση ενός φωτονίου με ένα σωματίδιο, για παράδειγμα ένα πρωτόνιο. Μοιάζει κάπως έτσι: ένα φωτόνιο φτάνει, απορροφάται από ένα πρωτόνιο, το οποίο μεταβαίνει σε διεγερμένη κατάσταση για μικρό χρονικό διάστημα, και στη συνέχεια επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση, εκπέμποντας ένα φωτόνιο προς κάποια κατεύθυνση.
Η σκέδαση Compton των συνηθισμένων φωτονίων φωτός δεν οδηγεί σε τίποτα ενδιαφέρον - είναι απλώς η ανάκλαση του φωτός από ένα πρωτόνιο. Για να «μπει στο παιχνίδι» η εσωτερική δομή του πρωτονίου και να γίνει «αισθητή» η κατανομή των κουάρκ, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν φωτόνια πολύ υψηλής ενέργειας - δισεκατομμύρια φορές περισσότερο από ό,τι στο συνηθισμένο φως. Και ακριβώς τέτοια φωτόνια - αν και εικονικά - δημιουργούνται εύκολα από ένα προσπίπτον ηλεκτρόνιο. Αν τώρα συνδυάσουμε το ένα με το άλλο, θα έχουμε βαθιά εικονική σκέδαση Compton (Εικ. 5).
Το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της αντίδρασης είναι ότι δεν καταστρέφει το πρωτόνιο. Το προσπίπτον φωτόνιο δεν χτυπά απλώς το πρωτόνιο, αλλά, σαν να λέγαμε, το αισθάνεται προσεκτικά και μετά πετά μακριά. Η κατεύθυνση προς την οποία πετά μακριά και το μέρος της ενέργειας που παίρνει το πρωτόνιο από αυτό εξαρτάται από τη δομή του πρωτονίου, από τη σχετική διάταξη των παρτονίων μέσα σε αυτό. Γι' αυτό, μελετώντας αυτή τη διαδικασία, είναι δυνατό να αποκατασταθεί η τρισδιάστατη εμφάνιση του πρωτονίου, σαν να «γλύψουμε τη γλυπτική του».
Είναι αλήθεια ότι αυτό είναι πολύ δύσκολο για έναν πειραματικό φυσικό να το κάνει. Η απαιτούμενη διαδικασία εμφανίζεται αρκετά σπάνια και είναι δύσκολο να την καταχωρίσετε. Τα πρώτα πειραματικά δεδομένα για αυτήν την αντίδραση ελήφθησαν μόλις το 2001 στον επιταχυντή HERA στο γερμανικό συγκρότημα επιταχυντών DESY στο Αμβούργο. μια νέα σειρά δεδομένων επεξεργάζεται τώρα από πειραματιστές. Ωστόσο, ήδη σήμερα, με βάση τα πρώτα δεδομένα, οι θεωρητικοί σχεδιάζουν τρισδιάστατες κατανομές κουάρκ και γκλουονίων στο πρωτόνιο. Ένα φυσικό μέγεθος, για το οποίο οι φυσικοί προηγουμένως είχαν κάνει μόνο υποθέσεις, τελικά άρχισε να «αναδύεται» από το πείραμα.
Μας περιμένουν απροσδόκητες ανακαλύψεις σε αυτόν τον τομέα; Είναι πιθανό ότι ναι. Για παράδειγμα, ας πούμε ότι τον Νοέμβριο του 2008 εμφανίστηκε ένα ενδιαφέρον θεωρητικό άρθρο, το οποίο αναφέρει ότι ένα ταχέως κινούμενο πρωτόνιο δεν πρέπει να μοιάζει με επίπεδο δίσκο, αλλά με αμφίκυρτο φακό. Αυτό συμβαίνει επειδή τα παρτόνια που βρίσκονται στην κεντρική περιοχή του πρωτονίου συμπιέζονται πιο έντονα στη διαμήκη κατεύθυνση από τα παρτόνια που κάθονται στις άκρες. Θα ήταν πολύ ενδιαφέρον να δοκιμάσουμε αυτές τις θεωρητικές προβλέψεις πειραματικά!
Γιατί όλα αυτά είναι ενδιαφέροντα για τους φυσικούς;
Γιατί οι φυσικοί χρειάζεται καν να γνωρίζουν πώς ακριβώς κατανέμεται η ύλη μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια;
Πρώτον, αυτό απαιτείται από την ίδια τη λογική της ανάπτυξης της φυσικής. Υπάρχουν πολλά εκπληκτικά πολύπλοκα συστήματα στον κόσμο με τα οποία η σύγχρονη θεωρητική φυσική δεν μπορεί ακόμη να αντιμετωπίσει πλήρως. Τα αδρόνια είναι ένα τέτοιο σύστημα. Κατανοώντας τη δομή των αδρονίων, ακονίζουμε τις ικανότητες της θεωρητικής φυσικής, η οποία μπορεί κάλλιστα να αποδειχθεί καθολική και, ίσως, να βοηθήσει σε κάτι εντελώς διαφορετικό, για παράδειγμα, στη μελέτη υπεραγωγών ή άλλων υλικών με ασυνήθιστες ιδιότητες.
Δεύτερον, υπάρχει άμεσο όφελος για την πυρηνική φυσική. Παρά τη σχεδόν αιωνόβια ιστορία της μελέτης των ατομικών πυρήνων, οι θεωρητικοί εξακολουθούν να μην γνωρίζουν τον ακριβή νόμο της αλληλεπίδρασης μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων.
Πρέπει εν μέρει να μαντέψουν αυτόν τον νόμο με βάση πειραματικά δεδομένα και εν μέρει να τον κατασκευάσουν με βάση τη γνώση για τη δομή των νουκλεονίων. Εδώ θα βοηθήσουν νέα δεδομένα για την τρισδιάστατη δομή των νουκλεονίων.
Τρίτον, πριν από αρκετά χρόνια οι φυσικοί κατάφεραν να λάβουν όχι λιγότερο από μια νέα αθροιστική κατάσταση της ύλης - το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Σε αυτή την κατάσταση, τα κουάρκ δεν κάθονται μέσα σε μεμονωμένα πρωτόνια και νετρόνια, αλλά περπατούν ελεύθερα σε ολόκληρη τη συστάδα της πυρηνικής ύλης. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί, για παράδειγμα, ως εξής: βαρείς πυρήνες επιταχύνονται σε έναν επιταχυντή σε ταχύτητα πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός και στη συνέχεια συγκρούονται μετωπικά. Σε αυτή τη σύγκρουση, θερμοκρασίες τρισεκατομμυρίων βαθμών προκύπτουν για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, οι οποίες λιώνουν τους πυρήνες σε πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Έτσι, αποδεικνύεται ότι οι θεωρητικοί υπολογισμοί αυτής της πυρηνικής τήξης απαιτούν καλή γνώση της τρισδιάστατης δομής των νουκλεονίων.
Τέλος, αυτά τα δεδομένα είναι πολύ απαραίτητα για την αστροφυσική. Όταν τα βαριά αστέρια εκρήγνυνται στο τέλος της ζωής τους, συχνά αφήνουν πίσω τους εξαιρετικά συμπαγή αντικείμενα - αστέρια νετρονίων και πιθανώς κουάρκ. Ο πυρήνας αυτών των αστεριών αποτελείται εξ ολοκλήρου από νετρόνια, και ίσως ακόμη και από ψυχρό πλάσμα κουάρκ-γλουονίων. Τέτοια αστέρια έχουν ανακαλυφθεί εδώ και καιρό, αλλά μπορεί κανείς μόνο να μαντέψει τι συμβαίνει μέσα τους. Έτσι, η καλή κατανόηση των κατανομών των κουάρκ μπορεί να οδηγήσει σε πρόοδο στην αστροφυσική.
Όλα τα φυσικά σώματα της φύσης είναι κατασκευασμένα από έναν τύπο ύλης που ονομάζεται ύλη. Οι ουσίες χωρίζονται σε δύο κύριες ομάδες - απλές και σύνθετες ουσίες.
Οι σύνθετες ουσίες είναι εκείνες οι ουσίες που μπορούν να διασπαστούν σε άλλες, απλούστερες ουσίες μέσω χημικών αντιδράσεων. Σε αντίθεση με τις σύνθετες ουσίες, απλές ουσίες είναι εκείνες που δεν μπορούν να αποσυντεθούν χημικά σε ακόμη απλούστερες ουσίες.
Ένα παράδειγμα σύνθετης ουσίας είναι το νερό, το οποίο μέσω μιας χημικής αντίδρασης μπορεί να αποσυντεθεί σε δύο άλλες, απλούστερες ουσίες - το υδρογόνο και το οξυγόνο. Όσον αφορά τα δύο τελευταία, δεν μπορούν πλέον να αποσυντεθούν χημικά σε απλούστερες ουσίες και επομένως είναι απλές ουσίες ή, με άλλα λόγια, χημικά στοιχεία.
Στο πρώτο μισό του 19ου αιώνα, υπήρχε η υπόθεση στην επιστήμη ότι τα χημικά στοιχεία ήταν αμετάβλητες ουσίες που δεν είχαν κοινή σχέση μεταξύ τους. Ωστόσο, ο Ρώσος επιστήμονας D.I. Mendeleev (1834 - 1907) για πρώτη φορά το 1869 αποκάλυψε τη σύνδεση χημικών στοιχείων, δείχνοντας ότι τα ποιοτικά χαρακτηριστικά καθενός από αυτά εξαρτώνται από τα ποσοτικά χαρακτηριστικά του - ατομικό βάρος.
Κατά τη μελέτη των ιδιοτήτων των χημικών στοιχείων, ο D.I. Mendeleev παρατήρησε ότι οι ιδιότητές τους επαναλαμβάνονται περιοδικά ανάλογα με το ατομικό τους βάρος. Εμφάνισε αυτή την περιοδικότητα με τη μορφή πίνακα, ο οποίος συμπεριλήφθηκε στην επιστήμη με το όνομα «Περιοδικός Πίνακας Στοιχείων του Μεντελέεφ».
Παρακάτω είναι ο σύγχρονος περιοδικός πίνακας χημικών στοιχείων του Mendeleev.
Άτομα
Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις της επιστήμης, κάθε χημικό στοιχείο αποτελείται από μια συλλογή μικροσκοπικών υλικών (υλικών) σωματιδίων που ονομάζονται άτομα.
Ένα άτομο είναι το μικρότερο κλάσμα ενός χημικού στοιχείου που δεν μπορεί πλέον να αποσυντεθεί χημικά σε άλλα, μικρότερα και απλούστερα σωματίδια υλικού.
Τα άτομα χημικών στοιχείων που είναι διαφορετικά στη φύση διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες, τη δομή, το μέγεθος, τη μάζα, το ατομικό βάρος, την εγγενή ενέργεια και ορισμένες άλλες ιδιότητες. Για παράδειγμα, το άτομο υδρογόνου διαφέρει απότομα στις ιδιότητες και τη δομή του από το άτομο οξυγόνου και το τελευταίο από το άτομο ουρανίου κ.λπ.
Έχει διαπιστωθεί ότι τα άτομα των χημικών στοιχείων είναι εξαιρετικά μικρά σε μέγεθος. Αν υποθέσουμε συμβατικά ότι τα άτομα έχουν σφαιρικό σχήμα, τότε οι διάμετροί τους θα πρέπει να είναι ίσες με τα εκατό εκατομμυριοστά του εκατοστού. Για παράδειγμα, η διάμετρος ενός ατόμου υδρογόνου - του μικρότερου ατόμου στη φύση - είναι ίση με το εκατο εκατομμυριοστό του εκατοστού (10 -8 cm), και η διάμετρος των μεγαλύτερων ατόμων, για παράδειγμα, ενός ατόμου ουρανίου, δεν υπερβαίνει τριακόσια εκατομμυριοστά του εκατοστού (3 10 -8 cm). Κατά συνέπεια, ένα άτομο υδρογόνου είναι τόσες φορές μικρότερο από μια σφαίρα με ακτίνα ενός εκατοστού όσο η τελευταία είναι μικρότερη από την υδρόγειο.
Σύμφωνα με το πολύ μικρό μέγεθος των ατόμων, η μάζα τους είναι επίσης πολύ μικρή. Για παράδειγμα, η μάζα ενός ατόμου υδρογόνου είναι m = 1,67 10 -24 g Αυτό σημαίνει ότι ένα γραμμάριο υδρογόνου περιέχει περίπου 6 10 23 άτομα.
Η συμβατική μονάδα μέτρησης για τα ατομικά βάρη των χημικών στοιχείων θεωρείται ότι είναι το 1/16 του βάρους ενός ατόμου οξυγόνου.Σύμφωνα με αυτό το ατομικό βάρος ενός χημικού στοιχείου καλείται ένας αφηρημένος αριθμός που δείχνει πόσες φορές το βάρος ενός δεδομένου χημικού στοιχείου είναι μεγαλύτερο από το 1/16 του βάρους ενός ατόμου οξυγόνου.
Ο περιοδικός πίνακας στοιχείων του D.I. Mendeleev δείχνει τα ατομικά βάρη όλων των χημικών στοιχείων (δείτε τον αριθμό που βρίσκεται κάτω από το όνομα του στοιχείου). Από αυτόν τον πίνακα βλέπουμε ότι το ελαφρύτερο άτομο είναι το άτομο του υδρογόνου, το οποίο έχει ατομικό βάρος 1,008. Το ατομικό βάρος του άνθρακα είναι 12, το οξυγόνο είναι 16 κ.λπ.
Όσον αφορά τα βαρύτερα χημικά στοιχεία, το ατομικό τους βάρος υπερβαίνει το ατομικό βάρος του υδρογόνου κατά περισσότερο από διακόσιες φορές. Έτσι, το ατομικό βάρος του υδραργύρου είναι 200,6, το ράδιο είναι 226 κ.λπ. Όσο υψηλότερη είναι η τάξη αριθμού που καταλαμβάνει ένα χημικό στοιχείο στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, τόσο μεγαλύτερο είναι το ατομικό βάρος.
Τα περισσότερα από τα ατομικά βάρη των χημικών στοιχείων εκφράζονται σε κλασματικούς αριθμούς. Αυτό εξηγείται ως ένα βαθμό από το γεγονός ότι τέτοια χημικά στοιχεία αποτελούνται από μια συλλογή πολλών τύπων ατόμων που έχουν διαφορετικά βάρη ατόμων, αλλά τις ίδιες χημικές ιδιότητες.
Τα χημικά στοιχεία που καταλαμβάνουν τον ίδιο αριθμό στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, και επομένως έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες, αλλά διαφορετικά ατομικά βάρη, ονομάζονται ισότοπα.
Ισότοπα βρίσκονται στα περισσότερα χημικά στοιχεία· έχει δύο ισότοπα, ασβέστιο - τέσσερα, ψευδάργυρο - πέντε, κασσίτερο - έντεκα κ.λπ. Πολλά ισότοπα λαμβάνονται μέσω της τέχνης, μερικά από αυτά έχουν μεγάλη πρακτική σημασία.
Στοιχειώδη σωματίδια της ύλης
Για πολύ καιρό πίστευαν ότι τα άτομα των χημικών στοιχείων είναι το όριο της διαιρετότητας της ύλης, δηλαδή, όπως τα στοιχειώδη «δομικά στοιχεία» του σύμπαντος. Η σύγχρονη επιστήμη έχει απορρίψει αυτή την υπόθεση, αποδεικνύοντας ότι το άτομο οποιασδήποτε χημικής μπύρας είναι μια συλλογή ακόμη μικρότερων υλικών σωματιδίων από το ίδιο το άτομο.
Σύμφωνα με την ηλεκτρονική θεωρία της δομής της ύλης, ένα άτομο οποιουδήποτε χημικού στοιχείου είναι ένα σύστημα που αποτελείται από έναν κεντρικό πυρήνα γύρω από τον οποίο περιστρέφονται «στοιχειώδη» υλικά σωματίδια που ονομάζονται ηλεκτρόνια. Οι πυρήνες των ατόμων, σύμφωνα με γενικά αποδεκτές απόψεις, αποτελούνται από μια συλλογή «στοιχειωδών» υλικών σωματιδίων - πρωτόνια και νετρόνια.
Για να κατανοήσουμε τη δομή των ατόμων και τις φυσικές και χημικές διεργασίες σε αυτά, είναι απαραίτητο να εξοικειωθούμε τουλάχιστον εν συντομία με τα βασικά χαρακτηριστικά των στοιχειωδών σωματιδίων που αποτελούν τα άτομα.
Καθόρισε ότι Το ηλεκτρόνιο είναι ένα υλικό σωματίδιο που έχει το μικρότερο αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο που έχει παρατηρηθεί στη φύση.
Εάν υποθέσουμε συμβατικά ότι ένα ηλεκτρόνιο ως σωματίδιο έχει σφαιρικό σχήμα, τότε η διάμετρος του ηλεκτρονίου πρέπει να είναι ίση με 4 · 10 -13 cm, δηλαδή είναι δεκάδες χιλιάδες φορές μικρότερη από τη διάμετρο οποιουδήποτε ατόμου.
Ένα ηλεκτρόνιο, όπως κάθε άλλο υλικό σωματίδιο, έχει μάζα. Η «μάζα ηρεμίας» ενός ηλεκτρονίου, δηλαδή η μάζα που έχει σε κατάσταση σχετικής ηρεμίας, είναι ίση με m o = 9,1 10 -28 g.
Η εξαιρετικά μικρή «μάζα ηρεμίας» του ηλεκτρονίου δείχνει ότι οι αδρανείς ιδιότητες του ηλεκτρονίου είναι εξαιρετικά αδύναμες, πράγμα που σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο, υπό την επίδραση μιας μεταβλητής ηλεκτρικής δύναμης, μπορεί να ταλαντωθεί στο διάστημα με συχνότητα πολλών δισεκατομμυρίων κύκλων ανά δεύτερος.
Η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι τόσο μικρή που για να ληφθεί ένα γραμμάριο ηλεκτρονίων θα ήταν απαραίτητο να ληφθούν 1027 μονάδες. Για να έχουμε τουλάχιστον κάποια φυσική ιδέα αυτού του κολοσσιαίου μεγάλου αριθμού, ας δώσουμε το ακόλουθο παράδειγμα. Εάν ένα γραμμάριο ηλεκτρονίων μπορούσε να τοποθετηθεί σε ευθεία γραμμή το ένα κοντά στο άλλο, θα σχημάτιζαν μια αλυσίδα μήκους τεσσάρων δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων.
Η μάζα ενός ηλεκτρονίου, όπως και κάθε άλλου μικροσωματιδίου υλικού, εξαρτάται από την ταχύτητα της κίνησής του.Ένα ηλεκτρόνιο, που βρίσκεται σε κατάσταση σχετικής ηρεμίας, έχει μια «μάζα ηρεμίας», η οποία είναι μηχανικής φύσης, όπως η μάζα κάθε φυσικού σώματος. Όσο για τη «μάζα κίνησης» του ηλεκτρονίου, η οποία αυξάνεται με την αύξηση της ταχύτητας της κίνησής του, είναι ηλεκτρομαγνητικής προέλευσης. Οφείλεται στην παρουσία ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε ένα κινούμενο ηλεκτρόνιο ως ορισμένο είδος ύλης με μάζα και ηλεκτρομαγνητική ενέργεια.
Όσο πιο γρήγορα κινείται το ηλεκτρόνιο, τόσο περισσότερο εκδηλώνονται οι αδρανειακές ιδιότητες του ηλεκτρομαγνητικού του πεδίου και, κατά συνέπεια, τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του τελευταίου και, κατά συνέπεια, η ηλεκτρομαγνητική του ενέργεια. Εφόσον ένα ηλεκτρόνιο με το ηλεκτρομαγνητικό του πεδίο αποτελεί ένα ενιαίο, οργανικά συνδεδεμένο υλικό σύστημα, είναι φυσικό η μάζα κίνησης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του ηλεκτρονίου να μπορεί να αποδοθεί απευθείας στο ίδιο το ηλεκτρόνιο.
Ένα ηλεκτρόνιο, εκτός από τις ιδιότητες ενός σωματιδίου, έχει και κυματικές ιδιότητες. Η πείρα έχει αποδείξει ότι η ροή των ηλεκτρονίων, όπως μια ροή φωτός, διαδίδεται με τη μορφή μιας κυματικής κίνησης. Η φύση της κυματικής κίνησης της ροής ηλεκτρονίων στο χώρο επιβεβαιώνεται από τα φαινόμενα παρεμβολής και περίθλασης ηλεκτρονιακών κυμάτων.
Παρεμβολή ηλεκτρονίων- αυτό είναι το φαινόμενο της επιβολής ηλεκτρονικών διαθηκών μεταξύ τους, και περίθλαση ηλεκτρονίων- αυτό είναι το φαινόμενο των ηλεκτρονιακών κυμάτων που κάμπτονται γύρω από τα άκρα ενός στενού διακένου από το οποίο διέρχεται μια ροή ηλεκτρονίων. Κατά συνέπεια, ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι απλώς ένα σωματίδιο, αλλά ένα «σωματίδιο-κύμα», το μήκος του οποίου εξαρτάται από τη μάζα και την ταχύτητα του ηλεκτρονίου.
Έχει διαπιστωθεί ότι το ηλεκτρόνιο, εκτός από τη μεταφορική του κίνηση, εκτελεί και περιστροφική κίνηση γύρω από τον άξονά του. Αυτός ο τύπος κίνησης ηλεκτρονίων ονομάζεται "spin" (από την αγγλική λέξη "spin" - spindle). Ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας κίνησης, το ηλεκτρόνιο, εκτός από τις ηλεκτρικές ιδιότητες λόγω του ηλεκτρικού φορτίου, αποκτά και μαγνητικές ιδιότητες, που θυμίζουν από αυτή την άποψη στοιχειώδη μαγνήτη.
Πρωτόνιο είναι ένα υλικό σωματίδιο που έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο ίσο σε απόλυτη τιμή με το ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου.
Η μάζα πρωτονίων είναι 1,67 · 10-24 g, δηλαδή είναι περίπου 1840 φορές η «μάζα ηρεμίας» του ηλεκτρονίου.
Σε αντίθεση με το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο, ένα νετρόνιο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, δηλαδή είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο «στοιχειώδες» σωματίδιο ύλης. Η μάζα ενός νετρονίου είναι σχεδόν ίση με τη μάζα ενός πρωτονίου.
Τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια, που αποτελούν μέρος των ατόμων, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια έλκονται αμοιβαία μεταξύ τους ως σωματίδια με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία. Ταυτόχρονα, ένα ηλεκτρόνιο από ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο από ένα πρωτόνιο απωθούνται ως σωματίδια που έχουν τα ίδια ηλεκτρικά φορτία.
Η αλληλεπίδραση όλων αυτών των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων συμβαίνει μέσω των ηλεκτρικών τους πεδίων. Αυτά τα πεδία αντιπροσωπεύουν έναν ειδικό τύπο ύλης, που αποτελείται από μια συλλογή στοιχειωδών σωματιδίων υλικού που ονομάζονται φωτόνια. Κάθε φωτόνιο έχει μια αυστηρά καθορισμένη ποσότητα ενέργειας που είναι εγγενής σε αυτό (ενεργειακό κβάντο).
Η αλληλεπίδραση των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων υλικού πραγματοποιείται με την ανταλλαγή φωτονίων μεταξύ τους. Η δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων συνήθως ονομάζεται ηλεκτρική δύναμη.
Τα νετρόνια και τα πρωτόνια που βρίσκονται στους πυρήνες των ατόμων αλληλεπιδρούν επίσης μεταξύ τους. Ωστόσο, αυτή η αλληλεπίδραση δεν πραγματοποιείται πλέον μέσω ηλεκτρικού πεδίου, αφού το νετρόνιο είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο της ύλης, αλλά μέσω του λεγόμενου πυρηνικού πεδίου.
Αυτό το πεδίο είναι επίσης ένας ειδικός τύπος ύλης, που αποτελείται από μια συλλογή στοιχειωδών σωματιδίων υλικού που ονομάζονται μεσόνια. Η αλληλεπίδραση νετρονίων και πρωτονίων πραγματοποιείται με την ανταλλαγή μεσονίων μεταξύ τους. Η δύναμη μεταξύ νετρονίων και πρωτονίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ονομάζεται πυρηνική δύναμη.
Έχει διαπιστωθεί ότι οι πυρηνικές δυνάμεις δρουν στους πυρήνες των ατόμων σε εξαιρετικά μικρές αποστάσεις - περίπου 10 - 13 cm.Οι πυρηνικές δυνάμεις υπερβαίνουν σημαντικά σε μέγεθος τις ηλεκτρικές δυνάμεις αμοιβαίας απώθησης πρωτονίων στον πυρήνα ενός ατόμου. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι είναι σε θέση όχι μόνο να ξεπεράσουν τις δυνάμεις αμοιβαίας απώθησης των πρωτονίων μέσα στους πυρήνες των ατόμων, αλλά και να δημιουργήσουν πολύ ισχυρά συστήματα πυρήνων από έναν συνδυασμό πρωτονίων και νετρονίων.
Η σταθερότητα του πυρήνα κάθε ατόμου εξαρτάται από τη σχέση μεταξύ δύο αντιφατικών δυνάμεων - της πυρηνικής (αμοιβαία έλξη πρωτονίων και νετρονίων) και της ηλεκτρικής (αμοιβαία απώθηση πρωτονίων).
Ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις που δρουν στους πυρήνες των ατόμων συμβάλλουν στη μετατροπή των νετρονίων και των πρωτονίων μεταξύ τους. Αυτές οι αλληλομετατροπές νετρονίων και πρωτονίων πραγματοποιούνται ως αποτέλεσμα της απελευθέρωσης ή της απορρόφησης ελαφρύτερων στοιχειωδών σωματιδίων, όπως τα μεσόνια.
Τα σωματίδια που εξετάσαμε ονομάζονται στοιχειώδη επειδή δεν αποτελούνται από μια συλλογή άλλων, απλούστερων σωματιδίων ύλης. Αλλά ταυτόχρονα, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι είναι ικανά να μεταμορφωθούν ο ένας στον άλλο, προκύπτοντας ο ένας σε βάρος του άλλου. Έτσι, αυτά τα σωματίδια είναι κάποιοι πολύπλοκοι σχηματισμοί, δηλαδή η στοιχειότητά τους είναι υπό όρους.
Χημική δομή των ατόμων
Το απλούστερο άτομο στη δομή του είναι το άτομο υδρογόνου. Αποτελείται από μια συλλογή μόνο δύο στοιχειωδών σωματιδίων - ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου. Το πρωτόνιο στο σύστημα ατόμου υδρογόνου παίζει το ρόλο ενός κεντρικού πυρήνα γύρω από τον οποίο το ηλεκτρόνιο περιστρέφεται σε μια συγκεκριμένη τροχιά. Στο Σχ. Το Σχήμα 1 δείχνει σχηματικά ένα μοντέλο του ατόμου υδρογόνου.
Ρύζι. 1. Σχήμα δομής του ατόμου υδρογόνου
Αυτό το μοντέλο είναι μόνο μια κατά προσέγγιση προσέγγιση της πραγματικότητας. Το γεγονός είναι ότι το ηλεκτρόνιο ως «κύμα σωματιδίου» δεν έχει όγκο που οριοθετείται έντονα από το εξωτερικό περιβάλλον. Αυτό σημαίνει ότι δεν πρέπει να μιλάμε για κάποια ακριβή γραμμική τροχιά του ηλεκτρονίου, αλλά για ένα είδος ηλεκτρονιακού νέφους. Σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει τις περισσότερες φορές κάποια μεσαία γραμμή του νέφους, η οποία είναι μία από τις πιθανές τροχιές του στο άτομο.
Πρέπει να ειπωθεί ότι η τροχιά του ίδιου του ηλεκτρονίου δεν είναι αυστηρά αμετάβλητη και ακίνητη στο άτομο - και αυτό, λόγω αλλαγών στη μάζα του ηλεκτρονίου, υφίσταται κάποια περιστροφική κίνηση. Κατά συνέπεια, η κίνηση ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο είναι σχετικά πολύπλοκη. Δεδομένου ότι ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου (πρωτόνιο) και το ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω του έχουν αντίθετα ηλεκτρικά φορτία, έλκονται αμοιβαία.
Ταυτόχρονα, το ηλεκτρόνιο, που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα του ατόμου, αναπτύσσει μια φυγόκεντρη δύναμη που τείνει να το απομακρύνει από τον πυρήνα. Κατά συνέπεια, η ηλεκτρική δύναμη αμοιβαίας έλξης μεταξύ του πυρήνα ενός ατόμου και του ηλεκτρονίου και η φυγόκεντρος δύναμη που ασκεί το ηλεκτρόνιο είναι αντιφατικές δυνάμεις.
Σε κατάσταση ισορροπίας, το ηλεκτρόνιό τους καταλαμβάνει μια σχετικά σταθερή θέση σε μια συγκεκριμένη τροχιά στο άτομο. Δεδομένου ότι η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι πολύ μικρή, για να εξισορροπηθεί η δύναμη έλξης προς τον πυρήνα ενός ατόμου, πρέπει να περιστρέφεται με τεράστια ταχύτητα, ίση με περίπου 6 10 15 στροφές ανά δευτερόλεπτο. Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρόνιο στο σύστημα του ατόμου του υδρογόνου, όπως και κάθε άλλο άτομο, κινείται κατά μήκος της τροχιάς του με γραμμική ταχύτητα που υπερβαίνει τα χίλια χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.
Υπό κανονικές συνθήκες, ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται σε ένα άτομο του είδους του στην τροχιά που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα. Ταυτόχρονα έχει την ελάχιστη δυνατή ποσότητα ενέργειας. Εάν, για τον ένα ή τον άλλο λόγο, για παράδειγμα, υπό την επίδραση κάποιων άλλων υλικών σωματιδίων που έχουν εισβάλει στο ατομικό σύστημα, το ηλεκτρόνιο μετακινηθεί σε τροχιά πιο μακριά από το άτομο, τότε θα έχει ήδη μια ελαφρώς μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας.
Ωστόσο, το ηλεκτρόνιο παραμένει σε αυτή τη νέα τροχιά για ένα ασήμαντο μικρό χρονικό διάστημα, μετά από το οποίο περιστρέφεται ξανά στην τροχιά που βρίσκεται πλησιέστερα στον ατομικό πυρήνα. Κατά τη διάρκεια αυτής της κίνησης, εκπέμπει την περίσσεια ενέργειά του με τη μορφή ενός κβάντου ηλεκτρικής μαγνητικής ακτινοβολίας - ακτινοβολούμενης ενέργειας (Εικ. 2).
Ρύζι. 2. Ένα ηλεκτρόνιο, όταν κινείται από μια μακρινή τροχιά σε μια πιο κοντά στον πυρήνα ενός ατόμου, εκπέμπει ένα κβάντο ακτινοβολούμενης ενέργειας
Όσο περισσότερη ενέργεια λαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο από το εξωτερικό, τόσο πιο μακριά είναι η τροχιά του από τον πυρήνα του ατόμου και τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που εκπέμπει όταν περιστρέφεται στην τροχιά που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα.
Με τη μέτρηση της ποσότητας ενέργειας που εκπέμπεται από ένα ηλεκτρόνιο όταν κινείται από διάφορες τροχιές σε αυτήν που βρίσκεται πλησιέστερα στον πυρήνα του ατόμου, ήταν δυνατό να διαπιστωθεί ότι ένα ηλεκτρόνιο στο σύστημα του ατόμου του υδρογόνου, όπως και στο σύστημα οποιουδήποτε άλλου ατόμου , δεν μπορεί να κινηθεί σε οποιαδήποτε αυθαίρετη τροχιά, αλλά σε μια αυστηρά καθορισμένη, σύμφωνα με την ενέργεια που λαμβάνει υπό την επίδραση μιας εξωτερικής δύναμης. Οι τροχιές που μπορεί να καταλάβει ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο ονομάζονται επιτρεπόμενες τροχιές.
Εφόσον το θετικό φορτίο του πυρήνα ενός ατόμου υδρογόνου (φορτίο πρωτονίου) και το αρνητικό φορτίο του ηλεκτρονίου είναι αριθμητικά ίσα, το συνολικό τους φορτίο είναι μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι το άτομο υδρογόνου, όντας στην κανονική του κατάσταση, είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο.
Αυτό ισχύει για τα άτομα όλων των χημικών στοιχείων: ένα άτομο οποιουδήποτε χημικού στοιχείου σε κανονική κατάσταση είναι ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο λόγω της αριθμητικής ισότητας των θετικών και αρνητικών φορτίων του.
Δεδομένου ότι ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου περιέχει μόνο ένα «στοιχειώδες» σωματίδιο - ένα πρωτόνιο, ο λεγόμενος μαζικός αριθμός αυτού του πυρήνα είναι ίσος με ένα. Ο μαζικός αριθμός του πυρήνα ενός ατόμου οποιουδήποτε χημικού στοιχείου είναι ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων που περιλαμβάνονται στη σύνθεση αυτού του πυρήνα.
Το φυσικό υδρογόνο αποτελείται κυρίως από μια συλλογή ατόμων με μαζικό αριθμό ίσο με ένα. Ωστόσο, περιέχει επίσης έναν άλλο τύπο ατόμων υδρογόνου, με αριθμό μάζας ίσο με δύο. Οι πυρήνες των ατόμων αυτού του βαρέως υδρογόνου, που ονομάζονται δευτερόνια, αποτελούνται από δύο σωματίδια - ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Αυτό το ισότοπο του υδρογόνου ονομάζεται δευτέριο.
Το φυσικό υδρογόνο περιέχει πολύ μικρές ποσότητες δευτερίου. Για κάθε έξι χιλιάδες άτομα ελαφρού υδρογόνου (αριθμός μάζας ίσος με ένα), υπάρχει μόνο ένα άτομο δευτερίου (βαρύ υδρογόνο). Υπάρχει ένα άλλο ισότοπο του υδρογόνου - το υπερβαρύ υδρογόνο, που ονομάζεται τρίτιο. Στους πυρήνες ενός ατόμου αυτού του ισοτόπου υδρογόνου υπάρχουν τρία σωματίδια: ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια, συνδεδεμένα μεταξύ τους με πυρηνικές δυνάμεις. Ο μαζικός αριθμός του πυρήνα ενός ατόμου τριτίου είναι τρεις, δηλαδή, ένα άτομο τριτίου είναι τρεις φορές βαρύτερο από ένα ελαφρύ άτομο υδρογόνου.
Αν και τα άτομα των ισοτόπων υδρογόνου έχουν διαφορετικές μάζες, εξακολουθούν να έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, το ελαφρύ υδρογόνο, μπαίνοντας σε μια χημική αλληλεπίδραση με το οξυγόνο, σχηματίζει μια σύνθετη ουσία μαζί του - το νερό. Ομοίως, το ισότοπο του υδρογόνου, το δευτέριο, ενώνεται με το οξυγόνο για να σχηματίσει νερό, το οποίο, σε αντίθεση με το συνηθισμένο νερό, ονομάζεται βαρύ νερό. Το βαρύ νερό χρησιμοποιείται ευρέως στη διαδικασία παραγωγής πυρηνικής (πυρηνικής) ενέργειας.
Κατά συνέπεια, οι χημικές ιδιότητες των ατόμων δεν εξαρτώνται από τη μάζα των πυρήνων τους, αλλά μόνο από τη δομή του ηλεκτρονιακού κελύφους του ατόμου. Επειδή τα άτομα ελαφρού υδρογόνου, δευτερίου και τριτίου έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων (ένα για κάθε άτομο), αυτά τα ισότοπα έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες.
Δεν είναι τυχαίο ότι το χημικό στοιχείο υδρογόνο καταλαμβάνει τον πρώτο αριθμό στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Το γεγονός είναι ότι υπάρχει κάποια σύνδεση μεταξύ του αριθμού οποιουδήποτε στοιχείου στον περιοδικό πίνακα στοιχείων και της τιμής φορτίου του πυρήνα ενός ατόμου αυτού του στοιχείου. Μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: Ο σειριακός αριθμός οποιουδήποτε χημικού στοιχείου στον περιοδικό πίνακα στοιχείων είναι αριθμητικά ίσος με το θετικό φορτίο του πυρήνα αυτού του στοιχείου και, κατά συνέπεια, με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω του.
Εφόσον το υδρογόνο καταλαμβάνει τον πρώτο αριθμό στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, αυτό σημαίνει ότι το θετικό φορτίο του πυρήνα του ατόμου του είναι ίσο με ένα και ότι ένα ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα.
Το χημικό στοιχείο ήλιο καταλαμβάνει το νούμερο δύο στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Αυτό σημαίνει ότι έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα ίσο με δύο μονάδες, δηλαδή, ο πυρήνας του πρέπει να περιέχει δύο πρωτόνια και το ηλεκτρονιακό κέλυφος του ατόμου πρέπει να περιέχει δύο ηλεκτρόδια.
Το φυσικό ήλιο αποτελείται από δύο ισότοπα - βαρύ και ελαφρύ ήλιο. Ο μαζικός αριθμός του βαρέως ηλίου είναι τέσσερα. Αυτό σημαίνει ότι ο πυρήνας ενός βαρέως ατόμου ηλίου, εκτός από τα δύο προαναφερθέντα πρωτόνια, πρέπει να περιλαμβάνει δύο ακόμη νετρόνια. Όσο για το ελαφρύ ήλιο, ο μαζικός του αριθμός είναι τρεις, δηλαδή ο πυρήνας του, εκτός από δύο πρωτόνια, πρέπει να περιλαμβάνει ένα ακόμη νετρόνιο.
Έχει διαπιστωθεί ότι στο φυσικό ήλιο ο αριθμός των ελαφρών ατόμων ηλίου είναι περίπου το ένα εκατομμυριοστό των βαρέων ατόμων ηλίου. Στο Σχ. Το σχήμα 3 δείχνει ένα σχηματικό μοντέλο του ατόμου ηλίου.
Ρύζι. 3. Σχήμα δομής του ατόμου ηλίου
Περαιτέρω πολυπλοκότητα της δομής των ατόμων των χημικών στοιχείων προκύπτει λόγω της αύξησης του αριθμού των πρωτονίων και των νετρονίων στους πυρήνες αυτών των ατόμων και ταυτόχρονα λόγω της αύξησης του αριθμού των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τους πυρήνες (Εικ. 4 ). Χρησιμοποιώντας τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, είναι εύκολο να προσδιοριστεί ο αριθμός των ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων που αποτελούν διάφορα άτομα.
Ρύζι. 4. Σχέδια δομής ατομικών πυρήνων: 1 - ήλιο, 2 - άνθρακας, 3 - οξυγόνο
Ο ατομικός αριθμός ενός χημικού στοιχείου είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων που βρίσκονται στον πυρήνα ενός ατόμου, και ταυτόχρονα με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Όσον αφορά το ατομικό βάρος, είναι περίπου ίσο με τον μαζικό αριθμό του ατόμου, δηλαδή τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων που συνδυάζονται στον πυρήνα. Επομένως, αφαιρώντας από το ατομικό βάρος ενός στοιχείου έναν αριθμό ίσο με τον ατομικό αριθμό του στοιχείου, μπορεί κανείς να καθορίσει πόσα νετρόνια περιέχονται σε έναν δεδομένο πυρήνα.
Έχει διαπιστωθεί ότι οι πυρήνες των ελαφρών χημικών στοιχείων, που περιέχουν ίσα μέρη πρωτονίων και νετρονίων, διακρίνονται από πολύ υψηλή αντοχή, καθώς οι πυρηνικές δυνάμεις σε αυτούς είναι σχετικά μεγάλες. Για παράδειγμα, ο πυρήνας ενός βαρέως ατόμου ηλίου είναι εξαιρετικά ισχυρός επειδή αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια που συνδέονται μεταξύ τους από ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις.
Οι πυρήνες των ατόμων των βαρύτερων χημικών στοιχείων περιέχουν άνισο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων, επομένως ο δεσμός τους στον πυρήνα είναι ασθενέστερος από ότι στους πυρήνες των ελαφρών χημικών στοιχείων. Οι πυρήνες αυτών των στοιχείων μπορούν να χωριστούν σχετικά εύκολα όταν βομβαρδιστούν με ατομικά «βλήματα» (νετρόνια, πυρήνες ηλίου κ.λπ.).
Όσον αφορά τα βαρύτερα χημικά στοιχεία, ιδιαίτερα τα ραδιενεργά, οι πυρήνες τους είναι τόσο αδύναμοι που διασπώνται αυθόρμητα στα συστατικά τους μέρη. Για παράδειγμα, άτομα του ραδιενεργού στοιχείου ραδίου, που αποτελείται από έναν συνδυασμό 88 πρωτονίων και 138 νετρονίων, διασπώνται αυθόρμητα, μετατρέποντας σε άτομα του ραδιενεργού στοιχείου ραδόνιο. Τα άτομα του τελευταίου, με τη σειρά τους, αποσυντίθενται στα συστατικά τους μέρη, μετατρέποντας σε άτομα άλλων στοιχείων.
Έχοντας εξοικειωθεί εν συντομία με τα συστατικά των πυρήνων των ατόμων των χημικών στοιχείων, ας εξετάσουμε τη δομή των ηλεκτρονικών κελυφών των ατόμων. Όπως είναι γνωστό, τα ηλεκτρόνια μπορούν να περιστρέφονται γύρω από τους ατομικούς πυρήνες μόνο σε αυστηρά καθορισμένες τροχιές. Επιπλέον, είναι τόσο ομαδοποιημένα στο ηλεκτρονιακό κέλυφος κάθε ατόμου που μπορούν να διακριθούν μεμονωμένα στρώματα ηλεκτρονίων.
Κάθε στρώμα μπορεί να περιέχει έναν αριθμό ηλεκτρονίων που δεν υπερβαίνει έναν αυστηρά καθορισμένο αριθμό. Έτσι, για παράδειγμα, στο πρώτο στρώμα ηλεκτρονίων που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα ενός ατόμου μπορεί να υπάρχουν το πολύ δύο ηλεκτρόνια, στο δεύτερο - όχι περισσότερα από οκτώ ηλεκτρόνια κ.λπ.
Εκείνα τα άτομα των οποίων τα εξωτερικά στρώματα ηλεκτρονίων είναι πλήρως γεμάτα έχουν το πιο σταθερό κέλυφος ηλεκτρονίων. Αυτό σημαίνει ότι αυτό το άτομο συγκρατεί σταθερά όλα τα ηλεκτρόνια του και δεν χρειάζεται να λάβει επιπλέον ποσότητα από το εξωτερικό. Για παράδειγμα, ένα άτομο ηλίου έχει δύο ηλεκτρόνια που γεμίζουν πλήρως το πρώτο στρώμα ηλεκτρονίων και ένα άτομο νέον έχει δέκα ηλεκτρόνια, από τα οποία τα δύο πρώτα γεμίζουν πλήρως το πρώτο στρώμα ηλεκτρονίων και τα υπόλοιπα - το δεύτερο (Εικ. 5).
Ρύζι. 5. Σχέδιο της δομής του ατόμου νέον
Κατά συνέπεια, τα άτομα ηλίου και νέον έχουν εντελώς σταθερά ηλεκτρονικά κελύφη και δεν προσπαθούν να τα τροποποιήσουν με κάποιο τρόπο ποσοτικά. Τέτοια στοιχεία είναι χημικά αδρανή, δηλαδή δεν αλληλεπιδρούν χημικά με άλλα στοιχεία.
Ωστόσο, τα περισσότερα χημικά στοιχεία έχουν άτομα στα οποία οι εξωτερικές στοιβάδες ηλεκτρονίων δεν είναι πλήρως γεμάτες με ηλεκτρόνια. Για παράδειγμα, ένα άτομο καλίου έχει δεκαεννέα ηλεκτρόνια, εκ των οποίων τα δεκαοκτώ γεμίζουν πλήρως τις τρεις πρώτες στιβάδες και το δέκατο ένατο ηλεκτρόνιο είναι μόνο στην επόμενη, μη γεμάτη στοιβάδα ηλεκτρονίων. Η αδύναμη πλήρωση της τέταρτης στιβάδας ηλεκτρονίων με ηλεκτρόνια οδηγεί στο γεγονός ότι ο πυρήνας του ατόμου συγκρατεί πολύ ασθενώς το εξώτατο ηλεκτρόνιο, το δέκατο ένατο ηλεκτρόνιο, και επομένως το τελευταίο μπορεί εύκολα να σχιστεί από το άτομο. .
Ή, για παράδειγμα, ένα άτομο οξυγόνου έχει οκτώ ηλεκτρόνια, δύο από τα οποία γεμίζουν πλήρως το πρώτο στρώμα και τα υπόλοιπα έξι βρίσκονται στο δεύτερο στρώμα. Έτσι, για να ολοκληρωθεί πλήρως η κατασκευή του δεύτερου στρώματος ηλεκτρονίων στο άτομο οξυγόνου, χρειάζεται μόνο δύο ηλεκτρόνια. Επομένως, το άτομο οξυγόνου όχι μόνο κρατά σταθερά τα έξι ηλεκτρόνια του στη δεύτερη στιβάδα, αλλά έχει επίσης την ικανότητα να έλκει τα δύο ηλεκτρόνια που του λείπουν για να γεμίσει το δεύτερο στρώμα ηλεκτρονίων του. Αυτό το επιτυγχάνει συνδυάζοντας χημικά με άτομα στοιχείων των οποίων τα εξωτερικά ηλεκτρόνια είναι ασθενώς συνδεδεμένα με τους πυρήνες τους.
Τα χημικά στοιχεία των οποίων τα άτομα δεν έχουν εξωτερικά στρώματα ηλεκτρονίων πλήρως γεμάτα με ηλεκτρόνια είναι, κατά κανόνα, χημικά ενεργά, δηλαδή εισέρχονται εύκολα σε χημικές αλληλεπιδράσεις.
Έτσι, τα ηλεκτρόνια στα άτομα των χημικών στοιχείων είναι διατεταγμένα σε μια αυστηρά καθορισμένη σειρά και οποιαδήποτε αλλαγή στη χωρική τους διάταξη ή στην ποσότητα τους στο ηλεκτρονιακό κέλυφος του ατόμου οδηγεί σε αλλαγή των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του τελευταίου.
Η ισότητα του αριθμού των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων στο ατομικό σύστημα είναι ο λόγος που το συνολικό ηλεκτρικό του φορτίο είναι μηδέν. Αν παραβιαστεί η ισότητα του αριθμού των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων στο ατομικό σύστημα, τότε το άτομο γίνεται ηλεκτρικά φορτισμένο σύστημα.
Ένα άτομο στο σύστημα του οποίου η ισορροπία των αντίθετων ηλεκτρικών φορτίων διαταράσσεται λόγω του γεγονότος ότι έχει χάσει μερικά από τα ηλεκτρόνια του ή, αντίθετα, έχει αποκτήσει περίσσεια ποσότητα από αυτά, ονομάζεται ιόν.
Αντίθετα, εάν ένα άτομο αποκτήσει κάποια επιπλέον ηλεκτρόνια, γίνεται αρνητικό ιόν. Για παράδειγμα, ένα άτομο χλωρίου που έχει αποκτήσει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο μετατρέπεται σε ένα μεμονωμένα φορτισμένο αρνητικό ιόν χλωρίου Cl -. Ένα άτομο οξυγόνου που έχει λάβει δύο επιπλέον ηλεκτρόνια μετατρέπεται σε ένα διπλά φορτισμένο αρνητικό ιόν οξυγόνου O κ.λπ.
Ένα άτομο που έχει μετατραπεί σε ιόν γίνεται ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σύστημα σε σχέση με το εξωτερικό περιβάλλον. Αυτό σημαίνει ότι το άτομο άρχισε να έχει ένα ηλεκτρικό πεδίο, μαζί με το οποίο αποτελεί ένα ενιαίο υλικό σύστημα και μέσω αυτού του πεδίου πραγματοποιεί ηλεκτρική αλληλεπίδραση με άλλα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια ύλης - ιόντα, ηλεκτρόνια, θετικά φορτισμένους ατομικούς πυρήνες κ.λπ.
Η ικανότητα των αντίθετων ιόντων να έλκονται αμοιβαία μεταξύ τους είναι ο λόγος που συνδυάζονται χημικά, σχηματίζοντας πιο πολύπλοκα σωματίδια ύλης - μόρια.
Συμπερασματικά, θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι διαστάσεις ενός ατόμου είναι πολύ μεγάλες σε σύγκριση με τις διαστάσεις των υλικών σωματιδίων από τα οποία αποτελούνται. Ο πυρήνας του πιο πολύπλοκου ατόμου, μαζί με όλα τα ηλεκτρόνια, καταλαμβάνει το ένα δισεκατομμυριοστό του όγκου του ατόμου. Ένας απλός υπολογισμός δείχνει ότι εάν ένα κυβικό μέτρο πλατίνας μπορούσε να συμπιεστεί τόσο σφιχτά ώστε ο ενδοατομικός και ο διατομικός χώρος να εξαφανιστούν, τότε ο όγκος θα ήταν περίπου ίσος με ένα κυβικό χιλιοστό.
- Μετάφραση
Στο κέντρο κάθε ατόμου βρίσκεται ο πυρήνας, μια μικροσκοπική συλλογή σωματιδίων που ονομάζονται πρωτόνια και νετρόνια. Σε αυτό το άρθρο θα μελετήσουμε τη φύση των πρωτονίων και των νετρονίων, τα οποία αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια - κουάρκ, γκλουόνια και αντικουάρκ. (Τα γκλουόνια, όπως και τα φωτόνια, είναι τα δικά τους αντισωματίδια.) Τα κουάρκ και τα γκλουόνια, από όσο γνωρίζουμε, μπορεί να είναι πραγματικά στοιχειώδη (αδιαίρετα και να μην αποτελούνται από τίποτα μικρότερο σε μέγεθος). Αλλά σε αυτούς αργότερα.
Παραδόξως, τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν σχεδόν την ίδια μάζα - με ακρίβεια εντός ενός ποσοστού:
- 0,93827 GeV/c 2 για το πρωτόνιο,
- 0,93957 GeV/c 2 για ένα νετρόνιο.
Επειδή είναι τόσο όμοια, και επειδή αυτά τα σωματίδια αποτελούν πυρήνες, τα πρωτόνια και τα νετρόνια ονομάζονται συχνά νουκλεόνια.
Τα πρωτόνια αναγνωρίστηκαν και περιγράφηκαν γύρω στο 1920 (αν και ανακαλύφθηκαν νωρίτερα· ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου είναι μόνο ένα πρωτόνιο) και τα νετρόνια ανακαλύφθηκαν γύρω στο 1933. Συνειδητοποιήθηκε σχεδόν αμέσως ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι τόσο παρόμοια μεταξύ τους. Αλλά το γεγονός ότι έχουν ένα μετρήσιμο μέγεθος συγκρίσιμο με το μέγεθος ενός πυρήνα (περίπου 100.000 φορές μικρότερο σε ακτίνα από ένα άτομο) δεν ήταν γνωστό μέχρι το 1954. Το ότι αποτελούνται από κουάρκ, αντικουάρκ και γλουόνια έγινε σταδιακά κατανοητό από τα μέσα της δεκαετίας του 1960 έως τα μέσα της δεκαετίας του 1970. Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του '70 και τις αρχές της δεκαετίας του '80, η κατανόησή μας για τα πρωτόνια, τα νετρόνια και από τι αποτελούνται είχαν σε μεγάλο βαθμό καταλαγιάσει και έκτοτε παρέμεινε αμετάβλητη.
Τα νουκλεόνια είναι πολύ πιο δύσκολο να περιγραφούν από τα άτομα ή τους πυρήνες. Για να μην πούμε ότι τα άτομα είναι κατ' αρχήν απλά, αλλά τουλάχιστον μπορεί κανείς να πει χωρίς να σκεφτεί ότι ένα άτομο ηλίου αποτελείται από δύο ηλεκτρόνια σε τροχιά γύρω από έναν μικροσκοπικό πυρήνα ηλίου. και ο πυρήνας του ηλίου είναι μια αρκετά απλή ομάδα δύο νετρονίων και δύο πρωτονίων. Αλλά με τα νουκλεόνια δεν είναι όλα τόσο απλά. Έγραψα ήδη στο άρθρο «Τι είναι ένα πρωτόνιο και τι είναι μέσα του;» ότι ένα άτομο είναι σαν ένα κομψό μινέτο και ένα νουκλεόνιο είναι σαν ένα ξέφρενο πάρτι.
Η πολυπλοκότητα του πρωτονίου και του νετρονίου φαίνεται να είναι γνήσια και δεν πηγάζει από ελλιπή γνώση της φυσικής. Έχουμε εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουμε τα κουάρκ, τα αντικουάρκ και τα γκλουόνια και τις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν μεταξύ τους. Αυτές οι εξισώσεις ονομάζονται QCD, από την κβαντική χρωμοδυναμική. Η ακρίβεια των εξισώσεων μπορεί να ελεγχθεί με διάφορους τρόπους, συμπεριλαμβανομένης της μέτρησης του αριθμού των σωματιδίων που παράγονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Συνδέοντας τις εξισώσεις QCD σε έναν υπολογιστή και εκτελώντας υπολογισμούς για τις ιδιότητες των πρωτονίων και των νετρονίων και άλλων παρόμοιων σωματιδίων (που συλλογικά ονομάζονται "αδόνια"), λαμβάνουμε προβλέψεις για τις ιδιότητες αυτών των σωματιδίων που προσεγγίζουν πολύ τις παρατηρήσεις που έγιναν στον πραγματικό κόσμο. Επομένως, έχουμε λόγους να πιστεύουμε ότι οι εξισώσεις QCD δεν λένε ψέματα και ότι η γνώση μας για το πρωτόνιο και το νετρόνιο βασίζεται στις σωστές εξισώσεις. Αλλά μόνο το να έχουμε τις σωστές εξισώσεις δεν αρκεί, γιατί:
- Οι απλές εξισώσεις μπορούν να έχουν πολύ σύνθετες λύσεις,
- Μερικές φορές είναι αδύνατο να περιγράψουμε σύνθετες αποφάσεις με απλό τρόπο.
Λόγω της εγγενούς πολυπλοκότητας των νουκλεονίων, εσείς, ο αναγνώστης, θα πρέπει να κάνετε μια επιλογή: πόσα θέλετε να μάθετε για την πολυπλοκότητα που περιγράφεται; Όσο μακριά κι αν πάτε, πιθανότατα δεν θα σας φέρει ικανοποίηση: όσο περισσότερα μαθαίνετε, τόσο πιο ξεκάθαρο θα γίνεται το θέμα, αλλά η τελική απάντηση θα παραμείνει η ίδια - το πρωτόνιο και το νετρόνιο είναι πολύ περίπλοκα. Μπορώ να σας προσφέρω τρία επίπεδα κατανόησης, με αυξανόμενη λεπτομέρεια. μπορείτε να σταματήσετε μετά από οποιοδήποτε επίπεδο και να προχωρήσετε σε άλλα θέματα ή μπορείτε να βουτήξετε μέχρι το τελευταίο. Κάθε επίπεδο εγείρει ερωτήσεις που μπορώ να απαντήσω εν μέρει στο επόμενο, αλλά οι νέες απαντήσεις εγείρουν νέες ερωτήσεις. Στο τέλος - όπως κάνω στις επαγγελματικές συζητήσεις με συναδέλφους και προχωρημένους φοιτητές - μπορώ μόνο να σας παραπέμψω σε δεδομένα που ελήφθησαν σε πραγματικά πειράματα, σε διάφορα θεωρητικά επιχειρήματα με επιρροή και προσομοιώσεις υπολογιστή.
Πρώτο επίπεδο κατανόησης
Από τι αποτελούνται τα πρωτόνια και τα νετρόνια;Ρύζι. 1: μια υπερβολικά απλοποιημένη έκδοση πρωτονίων, που αποτελείται μόνο από δύο κουάρκ επάνω και ένα κάτω κουάρκ, και νετρόνια, που αποτελούνται μόνο από δύο κάτω κουάρκ και ένα κουάρκ επάνω
Για να απλοποιήσουμε τα πράγματα, πολλά βιβλία, άρθρα και ιστότοποι υποδεικνύουν ότι τα πρωτόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ (δύο up κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ) και σχεδιάζουν κάτι σαν το Σχ. 1. Το νετρόνιο είναι το ίδιο, αποτελείται μόνο από ένα πάνω και δύο κάτω κουάρκ. Αυτή η απλή εικόνα δείχνει αυτό που πίστευαν ορισμένοι επιστήμονες, κυρίως τη δεκαετία του 1960. Σύντομα όμως έγινε σαφές ότι αυτή η άποψη ήταν υπερβολικά απλοποιημένη σε σημείο που δεν ήταν πλέον σωστή.
Από πιο εξελιγμένες πηγές πληροφοριών, θα μάθετε ότι τα πρωτόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ (δύο πάνω και ένα κάτω) που συγκρατούνται μεταξύ τους από γκλουόνια - και μπορεί να εμφανιστεί μια εικόνα παρόμοια με το Σχ. 1. 2, όπου τα γκλουόνια σχεδιάζονται ως ελατήρια ή χορδές που συγκρατούν κουάρκ. Τα νετρόνια είναι τα ίδια, μόνο με ένα up quark και δύο down quark.
Ρύζι. 2: βελτίωση εικ. 1 λόγω της έμφασης στον σημαντικό ρόλο της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, η οποία συγκρατεί τα κουάρκ στο πρωτόνιο
Αυτό δεν είναι τόσο κακός τρόπος να περιγράψουμε τα νουκλεόνια, καθώς τονίζει τον σημαντικό ρόλο της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, η οποία συγκρατεί τα κουάρκ σε ένα πρωτόνιο σε βάρος των γκλουονίων (όπως το φωτόνιο, το σωματίδιο που συνθέτει το φως, σχετίζεται με η ηλεκτρομαγνητική δύναμη). Αλλά αυτό προκαλεί επίσης σύγχυση επειδή δεν εξηγεί πραγματικά τι είναι τα γκλουόνια ή τι κάνουν.
Υπάρχουν λόγοι για να προχωρήσετε και να περιγράψετε τα πράγματα όπως τα έκανα: ένα πρωτόνιο αποτελείται από τρία κουάρκ (δύο πάνω και ένα κάτω), ένα μάτσο γκλουόνια και ένα βουνό από ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ (κυρίως κουάρκ πάνω και κάτω, αλλά υπάρχουν και μερικά περίεργα) . Όλα πετούν μπρος-πίσω με πολύ υψηλές ταχύτητες (πλησιάζοντας την ταχύτητα του φωτός). όλο αυτό το σύνολο συγκρατείται από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Το απέδειξα στο Σχ. 3. Τα νετρόνια είναι πάλι τα ίδια, αλλά με ένα πάνω και δύο κάτω κουάρκ. Το κουάρκ που άλλαξε την ταυτότητά του υποδεικνύεται με ένα βέλος.
Ρύζι. 3: πιο ρεαλιστική, αν και ακόμα ατελής, αναπαράσταση πρωτονίων και νετρονίων
Αυτά τα κουάρκ, τα αντι-κουάρκ και τα γκλουόνια όχι μόνο ορμούν πέρα δώθε άγρια, αλλά και συγκρούονται μεταξύ τους και μετατρέπονται μεταξύ τους μέσω διεργασιών όπως η εκμηδένιση σωματιδίων (στην οποία ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ του ίδιου τύπου μετατρέπονται σε δύο γλουόνια, ή αντίστροφα) ή απορρόφηση και εκπομπή ενός γκλουονίου (στο οποίο ένα κουάρκ και ένα γλουόνιο μπορούν να συγκρουστούν και να παράγουν ένα κουάρκ και δύο γκλουόνια, ή το αντίστροφο).
Τι κοινό έχουν αυτές οι τρεις περιγραφές:
- Δύο up quark και ένα down quark (συν κάτι άλλο) για ένα πρωτόνιο.
- Ένα νετρόνιο έχει ένα up quark και δύο down quark (συν κάτι άλλο).
- Το «κάτι άλλο» των νετρονίων συμπίπτει με το «κάτι άλλο» των πρωτονίων. Δηλαδή, τα νουκλεόνια έχουν το ίδιο «κάτι άλλο».
- Η μικρή διαφορά μάζας μεταξύ του πρωτονίου και του νετρονίου εμφανίζεται λόγω της διαφοράς στις μάζες του κάτω κουάρκ και του άνω κουάρκ.
- για τα κορυφαία κουάρκ το ηλεκτρικό φορτίο είναι ίσο με 2/3 e (όπου e είναι το φορτίο ενός πρωτονίου, -e το φορτίο ενός ηλεκτρονίου),
- Τα κάτω κουάρκ έχουν φορτίο -1/3e,
- Τα γκλουόνια έχουν φορτίο 0,
- οποιοδήποτε κουάρκ και το αντίστοιχο αντικουάρκ του έχουν συνολικό φορτίο 0 (για παράδειγμα, ένα κουάρκ antidown έχει φορτίο +1/3e, επομένως ένα κουάρκ down και ένα κουάρκ down θα έχουν φορτίο –1/3 e +1/3 e = 0),
- το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου είναι 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο του νετρονίου είναι 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- πόσο «κάτι άλλο» υπάρχει μέσα στο νουκλεόνιο,
- τι κάνει εκεί
- Από πού προέρχεται η ενέργεια μάζας και μάζας (E = mc 2, η ενέργεια που υπάρχει εκεί ακόμα και όταν το σωματίδιο βρίσκεται σε ηρεμία) του νουκλεονίου.
Ρύζι. Το 1 λέει ότι τα κουάρκ είναι ουσιαστικά το ένα τρίτο ενός νουκλεονίου - όπως ένα πρωτόνιο ή το νετρόνιο είναι το ένα τέταρτο του πυρήνα ηλίου ή το 1/12 του πυρήνα του άνθρακα. Αν αυτή η εικόνα ήταν αληθινή, τα κουάρκ στο νουκλεόνιο θα κινούνταν σχετικά αργά (με ταχύτητες πολύ πιο αργές από το φως) με σχετικά αδύναμες αλληλεπιδράσεις να ενεργούν μεταξύ τους (αν και με κάποια ισχυρή δύναμη να τα κρατάει στη θέση τους). Η μάζα του κουάρκ, πάνω και κάτω, θα ήταν τότε της τάξης των 0,3 GeV/c 2, περίπου το ένα τρίτο της μάζας του πρωτονίου. Αλλά αυτή η απλή εικόνα και οι ιδέες που προωθεί είναι απλά λάθος.
Ρύζι. 3. δίνει μια εντελώς διαφορετική ιδέα για το πρωτόνιο, ως ένα καζάνι σωματιδίων που τριγυρνούν σε αυτό με ταχύτητες κοντά στο φως. Αυτά τα σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους, και σε αυτές τις συγκρούσεις, μερικά από αυτά εκμηδενίζονται και άλλα δημιουργούνται στη θέση τους. Τα γκλουόνια δεν έχουν μάζα, οι μάζες των κορυφαίων κουάρκ είναι της τάξης των 0,004 GeV/c 2 και οι μάζες των κάτω κουάρκ είναι της τάξης των 0,008 GeV/c 2 - εκατοντάδες φορές μικρότερες από ένα πρωτόνιο. Από πού προέρχεται η ενέργεια της μάζας πρωτονίων είναι ένα περίπλοκο ερώτημα: μέρος της προέρχεται από την ενέργεια της μάζας των κουάρκ και των αντικουάρκ, μέρος από την ενέργεια κίνησης των κουάρκ, των αντικουάρκ και των γλουονίων και μέρος (πιθανώς θετικό, ίσως αρνητικό ) από την ενέργεια που αποθηκεύεται στην ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση, συγκρατώντας τα κουάρκ, τα αντικουάρκ και τα γκλουόνια μαζί.
Κατά μία έννοια, το Σχ. 2 προσπαθεί να επιλύσει τη διαφορά μεταξύ της Εικ. 1 και εικ. 3. Απλοποιεί το σχήμα. 3, αφαιρώντας πολλά ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ, τα οποία, κατ' αρχήν, μπορούν να ονομαστούν εφήμερα, αφού εμφανίζονται και εξαφανίζονται συνεχώς και δεν είναι απαραίτητα. Αλλά δίνει την εντύπωση ότι τα γκλουόνια στα νουκλεόνια είναι ένα άμεσο μέρος της ισχυρής πυρηνικής δύναμης που συγκρατεί τα πρωτόνια μαζί. Και δεν εξηγεί από πού προέρχεται η μάζα του πρωτονίου.
Στο Σχ. 1 υπάρχει ένα άλλο μειονέκτημα, εκτός από τα στενά πλαίσια του πρωτονίου και του νετρονίου. Δεν εξηγεί ορισμένες ιδιότητες άλλων αδρονίων, για παράδειγμα, πιόνιο και ρο μεσόνιο. Το Σχ. έχει τα ίδια προβλήματα. 2.
Αυτοί οι περιορισμοί οδήγησαν στο γεγονός ότι δίνω στους μαθητές μου και στον ιστότοπό μου την εικόνα από το Σχ. 3. Θέλω όμως να σας προειδοποιήσω ότι έχει και πολλούς περιορισμούς, τους οποίους θα συζητήσω αργότερα.
Αξίζει να σημειωθεί ότι η εξαιρετική πολυπλοκότητα της δομής που υπονοείται από το Σχ. 3 θα αναμενόταν από ένα αντικείμενο που συγκρατείται από μια δύναμη τόσο ισχυρή όσο η ισχυρή πυρηνική δύναμη. Και κάτι ακόμα: τρία κουάρκ (δύο πάνω και ένα κάτω για ένα πρωτόνιο) που δεν αποτελούν μέρος μιας ομάδας ζευγών κουάρκ-αντικουάρκ ονομάζονται συχνά «κουάρκ σθένους» και τα ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ ονομάζονται «θάλασσα των ζεύγη κουάρκ». Μια τέτοια γλώσσα είναι τεχνικά βολική σε πολλές περιπτώσεις. Αλλά δίνει την εσφαλμένη εντύπωση ότι αν μπορούσατε να κοιτάξετε μέσα σε ένα πρωτόνιο και να κοιτάξετε ένα συγκεκριμένο κουάρκ, θα μπορούσατε αμέσως να καταλάβετε αν ήταν μέρος της θάλασσας ή ένα μέρος του σθένους. Αυτό δεν μπορεί να γίνει, απλά δεν υπάρχει τέτοιος τρόπος.
Μάζα πρωτονίων και μάζα νετρονίων
Δεδομένου ότι οι μάζες του πρωτονίου και του νετρονίου είναι τόσο παρόμοιες, και δεδομένου ότι το πρωτόνιο και το νετρόνιο διαφέρουν μόνο στην αντικατάσταση του άνω κουάρκ από το κάτω κουάρκ, φαίνεται πιθανό ότι οι μάζες τους παρέχονται με τον ίδιο τρόπο, προέρχονται από την ίδια πηγή και η διαφορά τους έγκειται στη μικρή διαφορά μεταξύ των άνω και κάτω κουάρκ. Αλλά τα τρία παραπάνω σχήματα δείχνουν την παρουσία τριών πολύ διαφορετικών απόψεων για την προέλευση της μάζας πρωτονίων.Ρύζι. Το 1 λέει ότι τα πάνω και κάτω κουάρκ αποτελούν απλώς το 1/3 της μάζας του πρωτονίου και του νετρονίου: της τάξης των 0,313 GeV/c 2, ή λόγω της ενέργειας που απαιτείται για τη συγκράτηση των κουάρκ στο πρωτόνιο. Και δεδομένου ότι η διαφορά μεταξύ των μαζών ενός πρωτονίου και ενός νετρονίου είναι ένα κλάσμα του ποσοστού, η διαφορά μεταξύ των μαζών ενός άνω και κάτω κουάρκ πρέπει επίσης να είναι ένα κλάσμα τοις εκατό.
Ρύζι. Το 2 είναι λιγότερο σαφές. Πόσο από τη μάζα ενός πρωτονίου οφείλεται στα γκλουόνια; Αλλά, κατ' αρχήν, προκύπτει από το σχήμα ότι το μεγαλύτερο μέρος της μάζας πρωτονίων εξακολουθεί να προέρχεται από τη μάζα των κουάρκ, όπως στο Σχ. 1.
Ρύζι. Το 3 αντικατοπτρίζει μια πιο διαφοροποιημένη προσέγγιση για το πώς προκύπτει πραγματικά η μάζα του πρωτονίου (όπως μπορούμε να δοκιμάσουμε απευθείας μέσω υπολογισμών του πρωτονίου μέσω υπολογιστή και έμμεσα χρησιμοποιώντας άλλες μαθηματικές μεθόδους). Είναι πολύ διαφορετικό από τις ιδέες που παρουσιάζονται στο Σχ. 1 και 2, και αποδεικνύεται ότι δεν είναι τόσο απλό.
Για να καταλάβετε πώς λειτουργεί αυτό, πρέπει να σκεφτείτε όχι ως προς τη μάζα του πρωτονίου m, αλλά με βάση την ενέργεια μάζας του E = mc 2 , την ενέργεια που σχετίζεται με τη μάζα. Εννοιολογικά, η σωστή ερώτηση δεν είναι «από πού προέρχεται η μάζα του πρωτονίου m», μετά από την οποία μπορείτε να υπολογίσετε το E πολλαπλασιάζοντας το m επί c 2, αλλά το αντίστροφο: «από πού προέρχεται η ενέργεια της μάζας του πρωτονίου E, ” μετά την οποία μπορείτε να υπολογίσετε τη μάζα m διαιρώντας το E με το c 2 .
Είναι χρήσιμο να ταξινομηθούν οι συνεισφορές στην ενέργεια μάζας πρωτονίων σε τρεις ομάδες:
Α) Η ενέργεια μάζας (ενέργεια ηρεμίας) των κουάρκ και των αντικουάρκ που περιέχονται σε αυτήν (γκλουόνια, σωματίδια χωρίς μάζα, δεν συνεισφέρουν).
Β) Ενέργεια κίνησης (κινητική ενέργεια) κουάρκ, αντικουάρκ και γκλουονίων.
Γ) Ενέργεια αλληλεπίδρασης (ενέργεια δέσμευσης ή δυναμική ενέργεια) που αποθηκεύεται στην ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση (ακριβέστερα, στα πεδία γλουονίου) που συγκρατεί το πρωτόνιο.
Ρύζι. Το 3 λέει ότι τα σωματίδια μέσα στο πρωτόνιο κινούνται με μεγάλη ταχύτητα, και ότι είναι γεμάτο γκλουόνια χωρίς μάζα, επομένως η συμβολή του Β) είναι μεγαλύτερη από το Α). Τυπικά, στα περισσότερα φυσικά συστήματα τα Β) και Γ) αποδεικνύονται συγκρίσιμα, ενώ το Γ) είναι συχνά αρνητικό. Άρα η ενέργεια μάζας του πρωτονίου (και του νετρονίου) προέρχεται κυρίως από τον συνδυασμό Β) και Γ), με το Α) να συνεισφέρει ένα μικρό κλάσμα. Επομένως, οι μάζες του πρωτονίου και του νετρονίου εμφανίζονται κυρίως όχι λόγω των μαζών των σωματιδίων που περιέχουν, αλλά λόγω των ενεργειών κίνησης αυτών των σωματιδίων και της ενέργειας της αλληλεπίδρασής τους που σχετίζεται με τα πεδία γλουονίου που δημιουργούν τις δυνάμεις που συγκρατούν το πρωτόνιο. Στα περισσότερα άλλα γνωστά σε εμάς συστήματα, το ενεργειακό ισοζύγιο κατανέμεται διαφορετικά. Για παράδειγμα, στα άτομα και στο ηλιακό σύστημα το Α) κυριαρχεί και το Β) και το Γ) είναι πολύ μικρότερα και συγκρίσιμα σε μέγεθος.
Συνοψίζοντας, επισημαίνουμε ότι:
- Ρύζι. 1 υποθέτει ότι η ενέργεια μάζας πρωτονίων προέρχεται από τη συμβολή Α).
- Ρύζι. 2 υποθέτει ότι και οι δύο συνεισφορές Α) και Β) είναι σημαντικές, με το Β) να κάνει μια μικρή συνεισφορά.
- Ρύζι. Το 3 υποδηλώνει ότι τα Β) και Γ) είναι σημαντικά και η συμβολή του Α) αποδεικνύεται ασήμαντη.
Αν η εικ. Το 3 δεν λέει ψέματα, οι μάζες του κουάρκ και του αντικουάρκ είναι πολύ μικρές. Πώς είναι πραγματικά; Η μάζα του κορυφαίου κουάρκ (καθώς και του αντικουάρκ) δεν υπερβαίνει τα 0,005 GeV/c 2, δηλαδή πολύ μικρότερα από 0,313 GeV/c 2, που προκύπτει από το Σχ. 1. (Η μάζα του επάνω κουάρκ είναι δύσκολο να μετρηθεί και ποικίλλει λόγω ανεπαίσθητων επιδράσεων, επομένως μπορεί να είναι πολύ μικρότερη από 0,005 GeV/c2). Η μάζα του κάτω κουάρκ είναι περίπου 0,004 GeV/s 2 μεγαλύτερη από τη μάζα του κορυφαίου κουάρκ. Αυτό σημαίνει ότι η μάζα οποιουδήποτε κουάρκ ή αντικουάρκ δεν υπερβαίνει το ένα τοις εκατό της μάζας ενός πρωτονίου.
Σημειώστε ότι αυτό σημαίνει (σε αντίθεση με το Σχ. 1) ότι ο λόγος της μάζας του κάτω κουάρκ προς την επάνω μάζα κουάρκ δεν πλησιάζει τη μονάδα! Η μάζα του κάτω κουάρκ είναι τουλάχιστον διπλάσια από τη μάζα του επάνω κουάρκ. Ο λόγος που οι μάζες του νετρονίου και του πρωτονίου είναι τόσο παρόμοιες δεν είναι επειδή οι μάζες των άνω και κάτω κουάρκ είναι παρόμοιες, αλλά επειδή οι μάζες των άνω και κάτω κουάρκ είναι πολύ μικρές - και η διαφορά μεταξύ τους είναι μικρή, σχετική στις μάζες του πρωτονίου και του νετρονίου. Θυμηθείτε ότι για να μετατρέψετε ένα πρωτόνιο σε νετρόνιο, πρέπει απλώς να αντικαταστήσετε ένα από τα επάνω κουάρκ του με ένα κάτω κουάρκ (Εικόνα 3). Αυτή η αντικατάσταση είναι αρκετή για να κάνει το νετρόνιο ελαφρώς βαρύτερο από το πρωτόνιο και να αλλάξει το φορτίο του από +e σε 0.
Παρεμπιπτόντως, το γεγονός ότι τα διάφορα σωματίδια μέσα στο πρωτόνιο συγκρούονται μεταξύ τους, και συνεχώς εμφανίζονται και εξαφανίζονται, δεν επηρεάζει τα πράγματα που συζητάμε - η ενέργεια διατηρείται σε οποιαδήποτε σύγκρουση. Η ενέργεια μάζας και η ενέργεια κίνησης των κουάρκ και των γκλουονίων μπορούν να αλλάξουν, όπως και η ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους, αλλά η συνολική ενέργεια του πρωτονίου δεν αλλάζει, αν και όλα μέσα σε αυτό αλλάζουν συνεχώς. Άρα η μάζα του πρωτονίου παραμένει σταθερή, παρά την εσωτερική του δίνη.
Σε αυτό το σημείο μπορείτε να σταματήσετε και να απορροφήσετε τις πληροφορίες που λάβατε. Φοβερο! Ουσιαστικά όλη η μάζα που περιέχεται στη συνηθισμένη ύλη προέρχεται από τη μάζα των νουκλεονίων στα άτομα. Και το μεγαλύτερο μέρος αυτής της μάζας προέρχεται από το χάος που είναι εγγενές στο πρωτόνιο και το νετρόνιο - από την ενέργεια κίνησης των κουάρκ, των γκλουονίων και των αντικουάρκ στα νουκλεόνια, και από την ενέργεια των ισχυρών πυρηνικών αλληλεπιδράσεων που συγκρατούν το νουκλεόνιο σε ολόκληρη την κατάστασή του. Ναι: ο πλανήτης μας, τα σώματά μας, η αναπνοή μας είναι το αποτέλεσμα μιας τέτοιας ησυχίας και, μέχρι πρόσφατα, αδιανόητης πανδαιμονίας.
Πρώτα απ 'όλα, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε ότι υπάρχουν τέσσερις διαφορετικοί τύποι ενέργειας που απελευθερώνονται:
1) χημική ενέργεια που τροφοδοτεί τα αυτοκίνητά μας, καθώς και τις περισσότερες συσκευές του σύγχρονου πολιτισμού.
2) ενέργεια πυρηνικής σχάσης, που χρησιμοποιείται για την παραγωγή περίπου 15% της ηλεκτρικής ενέργειας που καταναλώνουμε.
3) την ενέργεια της καυτής πυρηνικής σύντηξης, η οποία τροφοδοτεί τον ήλιο και τα περισσότερα αστέρια.
4) ψυχρή ενέργεια πυρηνικής σύντηξης, η οποία παρατηρείται από ορισμένους πειραματιστές σε εργαστηριακές μελέτες και η ύπαρξη της οποίας απορρίπτεται από τους περισσότερους επιστήμονες.
Η ποσότητα της πυρηνικής ενέργειας που απελευθερώνεται (θερμότητα/λίβρα καυσίμου) και των τριών τύπων είναι 10 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή της χημικής ενέργειας. Πώς διαφέρουν αυτοί οι τύποι ενέργειας; Για να γίνει κατανοητό αυτό το ζήτημα, απαιτείται κάποια γνώση της χημείας και της φυσικής.
Εκμεταλλευόμενοι τις προσφορές αυτού του ηλεκτρονικού καταστήματος που πουλάει είδη οικιακής χρήσης, μπορείτε εύκολα να αγοράσετε οποιοδήποτε εμπόρευμα σε λογικές τιμές.
Η φύση μας έχει δώσει δύο τύπους σταθερά φορτισμένων σωματιδίων: πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Ένα πρωτόνιο είναι ένα βαρύ, συνήθως πολύ μικρό, θετικά φορτισμένο σωματίδιο. Το ηλεκτρόνιο είναι συνήθως ελαφρύ, μεγάλο, με ασαφή όρια και έχει αρνητικό φορτίο. Τα θετικά και αρνητικά φορτία έλκονται μεταξύ τους, όπως ο βόρειος πόλος ενός μαγνήτη έλκει τον νότιο πόλο. Εάν ένας μαγνήτης με τον βόρειο πόλο του έλθει κοντά στο νότιο πόλο ενός άλλου μαγνήτη, θα συγκρουστούν. Η σύγκρουση θα απελευθερώσει μια μικρή ποσότητα ενέργειας με τη μορφή θερμότητας, αλλά είναι πολύ μικρή για να μετρηθεί εύκολα. Για να διαχωρίσετε τους μαγνήτες, θα πρέπει να κάνετε δουλειά, δηλαδή να ξοδέψετε ενέργεια. Είναι περίπου το ίδιο με το να σηκώνεις μια πέτρα πίσω σε ένα λόφο.
Η κύλιση μιας πέτρας κάτω από έναν λόφο παράγει μια μικρή ποσότητα θερμότητας, αλλά η ανύψωση της πέτρας προς τα πάνω απαιτεί ενέργεια.
Με τον ίδιο τρόπο, το θετικό φορτίο ενός πρωτονίου συγκρούεται με το αρνητικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου, «κολλάνε μεταξύ τους», απελευθερώνοντας ενέργεια. Το αποτέλεσμα είναι ένα άτομο υδρογόνου, που ονομάζεται Η. Ένα άτομο υδρογόνου δεν είναι τίποτα άλλο από ένα ασαφές ηλεκτρόνιο που περιβάλλει ένα μικρό πρωτόνιο. Εάν εκτινάξετε ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο υδρογόνου, λαμβάνετε ένα θετικά φορτισμένο ιόν Η+, το οποίο δεν είναι τίποτα άλλο από το αρχικό πρωτόνιο. «Ιόν» είναι το όνομα που εφαρμόζεται σε ένα άτομο ή μόριο που έχει χάσει ή αποκτήσει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια και επομένως δεν είναι πλέον ουδέτερο.
Όπως γνωρίζετε, υπάρχουν περισσότεροι από ένας τύποι ατόμων στη φύση. Έχουμε άτομα οξυγόνου, άτομα αζώτου, άτομα σιδήρου, άτομα ηλίου και άλλα. Πώς είναι όλοι διαφορετικοί; Όλοι έχουν διαφορετικούς τύπους πυρήνων και όλοι οι πυρήνες περιέχουν διαφορετικούς αριθμούς πρωτονίων, πράγμα που σημαίνει ότι έχουν διαφορετικά θετικά φορτία. Ο πυρήνας ηλίου περιέχει 2 πρωτόνια, που σημαίνει ότι έχει φορτίο συν 2 και για να εξουδετερωθεί το φορτίο απαιτούνται 2 ηλεκτρόνια. Όταν 2 ηλεκτρόνια «κολλήσουν» σε αυτό, σχηματίζεται ένα άτομο ηλίου. Ο πυρήνας του οξυγόνου περιέχει 8 πρωτόνια και έχει φορτίο 8. Όταν «κολλήσουν» 8 ηλεκτρόνια, σχηματίζεται ένα άτομο οξυγόνου. Ένα άτομο αζώτου έχει 7 ηλεκτρόνια, ένα άτομο σιδήρου έχει περίπου 26. Ωστόσο, η δομή όλων των ατόμων είναι περίπου η ίδια: ένας μικρός, θετικά φορτισμένος πυρήνας που βρίσκεται σε ένα σύννεφο διάχυτων ηλεκτρονίων. Η διαφορά μεγέθους μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων είναι τεράστια.
Η διάμετρος του Ήλιου είναι μόνο 100 φορές μεγαλύτερη από τη διάμετρο της Γης. Η διάμετρος του νέφους ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι 100.000 φορές μεγαλύτερη από τη διάμετρο του πυρήνα. Για να λάβετε τη διαφορά στους όγκους, πρέπει να κάνετε κύβους αυτούς τους αριθμούς.
Τώρα είμαστε έτοιμοι να καταλάβουμε τι είναι η χημική ενέργεια. Τα άτομα, όντας ηλεκτρικά ουδέτερα, μπορούν στην πραγματικότητα να συνδεθούν μεταξύ τους, απελευθερώνοντας περισσότερη ενέργεια. Με άλλα λόγια, μπορούν να συνδεθούν σε πιο σταθερές διαμορφώσεις. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται ήδη στο άτομο προσπαθούν να κατανεμηθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να πλησιάσουν όσο το δυνατόν πιο κοντά στον πυρήνα, αλλά λόγω της διάχυτης φύσης τους απαιτούν έναν ορισμένο χώρο. Ωστόσο, όταν συνδυάζονται με ηλεκτρόνια από άλλο άτομο, σχηματίζουν συνήθως μια πιο κοντινή διαμόρφωση, επιτρέποντάς τους να κινηθούν πιο κοντά στους πυρήνες. Για παράδειγμα, 2 άτομα υδρογόνου μπορούν να συνδυαστούν σε μια πιο συμπαγή διαμόρφωση εάν κάθε άτομο υδρογόνου δώσει το ηλεκτρόνιό του σε ένα νέφος 2 ηλεκτρονίων, το οποίο μοιράζεται μεταξύ δύο πρωτονίων.
Έτσι, σχηματίζουν μια ομάδα που αποτελείται από δύο ηλεκτρόνια σε ένα μόνο σύννεφο και δύο πρωτόνια, χωρισμένα μεταξύ τους από το διάστημα, αλλά παρόλα αυτά βρίσκονται μέσα στο νέφος των ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα, συμβαίνει μια χημική αντίδραση που συμβαίνει με την απελευθέρωση θερμότητας: H+H => H G (Το σύμβολο "=>" σημαίνει "μετατρέπεται" ή "γίνεται"). Η διαμόρφωση Η2 είναι ένα μόριο υδρογόνου. Όταν αγοράζετε έναν κύλινδρο υδρογόνου, δεν λαμβάνετε τίποτα περισσότερο από μόρια H. Επιπλέον, συνδυάζοντας δύο ηλεκτρόνια H 2 και 8 ηλεκτρόνια ενός ατόμου Ο μπορούν να σχηματίσουν μια ακόμη πιο συμπαγή διαμόρφωση - ένα μόριο νερού H O συν θερμότητα. Στην πραγματικότητα, ένα μόριο νερού είναι ένα ενιαίο νέφος ηλεκτρονίων, στο εσωτερικό του οποίου υπάρχουν πυρήνες τριών σημείων. Ένα τέτοιο μόριο είναι η ελάχιστη ενεργειακή διαμόρφωση.
Έτσι, όταν καίμε πετρέλαιο ή άνθρακα, αναδιανέμουμε ηλεκτρόνια. Αυτό οδηγεί στο σχηματισμό πιο σταθερών διαμορφώσεων σημειακών πυρήνων μέσα στα νέφη ηλεκτρονίων και συνοδεύεται από την απελευθέρωση θερμότητας. Αυτή είναι η φύση της χημικής ενέργειας.
Στην προηγούμενη συζήτηση χάσαμε ένα σημείο. Γιατί οι πυρήνες στη φύση περιέχουν αρχικά δύο ή περισσότερα πρωτόνια; Κάθε πρωτόνιο έχει θετικό φορτίο και όταν η απόσταση μεταξύ των θετικών φορτίων είναι τόσο μικρή που είναι συγκρίσιμη με τον χώρο που περιβάλλει τον πυρήνα, απωθούν έντονα το ένα το άλλο. Η απώθηση ομοειδών φορτίων είναι παρόμοια με την απώθηση που συμβαίνει μεταξύ των βόρειων πόλων δύο μαγνητών όταν προσπαθούν να συνδεθούν εσφαλμένα. Πρέπει να υπάρχει κάτι που να ξεπερνά αυτή την απώθηση, διαφορετικά θα υπήρχαν μόνο άτομα υδρογόνου. Ευτυχώς, βλέπουμε ότι αυτό δεν ισχύει.
Υπάρχει ένας άλλος τύπος δύναμης που δρα στο πρωτόνιο. Αυτή είναι η πυρηνική ενέργεια. Λόγω του ότι είναι πολύ μεγάλο, τα σωματίδια συγκρατούνται σταθερά σχεδόν το ένα πάνω στο άλλο. Επιπλέον, υπάρχει ένας δεύτερος τύπος βαρέων σωματιδίων, που διαφέρει από το πρωτόνιο μόνο στο ότι δεν έχει ούτε θετικό ούτε αρνητικό φορτίο. Δεν απωθούνται από το θετικό φορτίο του πρωτονίου. Αυτά τα σωματίδια ονομάζονται «νετρόνια» επειδή είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Η ιδιαιτερότητα είναι ότι η αμετάβλητη κατάσταση των σωματιδίων είναι δυνατή μόνο μέσα στον πυρήνα. Μόλις το σωματίδιο βρίσκεται έξω από τον πυρήνα, μέσα σε περίπου 10 λεπτά μετατρέπεται σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και ένα πολύ ελαφρύ αντινετρίνο. Ωστόσο, μέσα στον πυρήνα μπορεί να παραμείνει αμετάβλητος για όσο διάστημα επιθυμείτε. Όπως και να έχει, το νετρόνιο και το πρωτόνιο έλκονται πολύ έντονα το ένα από το άλλο. Έχοντας πλησιάσει σε επαρκή απόσταση, συνδυάζονται, σχηματίζοντας ένα πολύ ισχυρό ζεύγος, το λεγόμενο δευτερόνιο, το οποίο ονομάζεται D+. Ένα μεμονωμένο δευτερόνιο συνδυάζεται με ένα μόνο ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει ένα άτομο βαρέος υδρογόνου ή δευτερίου, που ονομάζεται D.
Η δεύτερη πυρηνική αντίδραση συμβαίνει όταν αλληλεπιδρούν δύο δευτερόνια. Όταν δύο δευτερόνια αναγκάζονται να αλληλεπιδράσουν, συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα σωματίδιο που έχει διπλό φορτίο. Μια ομάδα δύο πρωτονίων και δύο νετρονίων είναι ακόμη πιο σταθερή από την ομάδα πρωτονίων-νετρονίων σε ένα δευτερόνιο. Το νέο σωματίδιο, εξουδετερωμένο από 2 ηλεκτρόνια, γίνεται ο πυρήνας ενός ατόμου ηλίου, το οποίο ονομάζεται He. Στη φύση, υπάρχουν επίσης μεγάλες ομάδες που είναι οι πυρήνες του άνθρακα, του αζώτου, του οξυγόνου, του σιδήρου και άλλων ατόμων. Η ύπαρξη όλων αυτών των ομάδων είναι δυνατή λόγω της πυρηνικής δύναμης που προκύπτει μεταξύ των σωματιδίων όταν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ή μοιράζονται συνολικό όγκο χώρου ίσο με το μέγεθος του πυρήνα.
Μπορούμε τώρα να κατανοήσουμε τη φύση της συνηθισμένης πυρηνικής ενέργειας, η οποία είναι στην πραγματικότητα ενέργεια πυρηνικής σχάσης. Σε όλη την πρώιμη ιστορία του σύμπαντος, σχηματίστηκαν τεράστια αστέρια. Όταν εξερράγησαν τέτοια τεράστια αστέρια, σχηματίστηκαν πολλοί τύποι πυρήνων και εξερράγησαν ξανά στο διάστημα. Πλανήτες και αστέρια, συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου, σχηματίστηκαν από αυτή τη μάζα.
Είναι πιθανό ότι κατά τη διάρκεια της έκρηξης εμφανίστηκαν όλες οι πιθανές σταθερές διαμορφώσεις πρωτονίων και νετρονίων, καθώς και τέτοιες πρακτικά σταθερές ομάδες όπως ο πυρήνας του ουρανίου. Υπάρχουν στην πραγματικότητα τρεις ποικιλίες πυρήνων ατόμων ουρανίου: ουράνιο-234, ουράνιο-235 και ουράνιο-238. Αυτά τα «ισότοπα» διαφέρουν ως προς τον αριθμό των νετρονίων, ωστόσο, όλα περιέχουν 92 πρωτόνια. Οι πυρήνες οποιουδήποτε τύπου ατόμου ουρανίου μπορούν να αλλάξουν σε διαμορφώσεις χαμηλότερης ενέργειας διαφεύγοντας από πυρήνες ηλίου, ωστόσο, αυτή η διαδικασία συμβαίνει τόσο σπάνια που το επίγειο ουράνιο διατηρεί τις ιδιότητές του για περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια.
Ωστόσο, υπάρχει ένας άλλος τρόπος να διαταραχθεί η διαμόρφωση του πυρήνα του ουρανίου. Γενικά, οι ομάδες πρωτονίων και νετρονίων είναι πιο σταθερές εάν περιέχουν περίπου 60 ζεύγη πρωτονίων-νετρονίων. Ο αριθμός τέτοιων ζευγών που περιέχονται στον πυρήνα του ουρανίου είναι τριπλάσιος από αυτόν τον αριθμό. Ως αποτέλεσμα, τείνει να χωρίζεται σε δύο μέρη, απελευθερώνοντας μεγάλη ποσότητα θερμότητας. Ωστόσο, η φύση δεν του επιτρέπει να χωρίσει. Για να γίνει αυτό, πρέπει πρώτα να μετακινηθεί σε μια υψηλότερη ενεργειακή διαμόρφωση. Ωστόσο, ένας τύπος ουρανίου -ουράνιο-235, που ονομάζεται 235 U - λαμβάνει την απαραίτητη ενέργεια συλλαμβάνοντας ένα νετρόνιο. Έχοντας λάβει έτσι την απαραίτητη ενέργεια, ο πυρήνας διασπάται, απελευθερώνοντας μια τεράστια ποσότητα ενέργειας και απελευθερώνοντας επιπλέον νετρόνια. Αυτά τα πρόσθετα νετρόνια μπορούν με τη σειρά τους να διασπάσουν τους πυρήνες του ουρανίου-235, οδηγώντας σε μια αλυσιδωτή αντίδραση.
Αυτό ακριβώς συμβαίνει στους πυρηνικούς σταθμούς, όπου η θερμότητα από την πυρηνική αποσύνθεση χρησιμοποιείται για να βράσει το νερό, να δημιουργήσει ατμό και να ενεργοποιήσει μια ηλεκτρική γεννήτρια. (Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η απελευθέρωση ραδιενεργών αποβλήτων, τα οποία πρέπει να απορριφθούν με ασφάλεια.)
Τώρα είμαστε έτοιμοι να κατανοήσουμε την ουσία της θερμής πυρηνικής σύντηξης. Όπως συζητήθηκε στο Μάθημα 5, οι ομαδοποιήσεις πρωτονίων και νετρονίων είναι πιο σταθερές όταν ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων ταιριάζει περίπου με τον αριθμό στον πυρήνα του ατόμου του σιδήρου. Ακριβώς όπως το ουράνιο, το οποίο συνήθως περιέχει πάρα πολλά ζεύγη νετρονίων-πρωτονίων, τα ελαφρά στοιχεία όπως το υδρογόνο, το ήλιο, ο άνθρακας, το άζωτο και το οξυγόνο περιέχουν πολύ λίγα τέτοια ζεύγη.
Εάν δημιουργηθούν οι απαραίτητες συνθήκες για να αλληλεπιδράσουν αυτοί οι πυρήνες, θα ενωθούν σε πιο σταθερές ομάδες με την απελευθέρωση θερμότητας. Έτσι γίνεται η διαδικασία σύνθεσης. Εμφανίζεται φυσικά σε αστέρια όπως ο Ήλιος. Στη φύση, το συμπιεσμένο υδρογόνο γίνεται πολύ ζεστό και μετά από κάποιο χρονικό διάστημα εμφανίζεται μια αντίδραση σύνθεσης. Εάν η διαδικασία συνέβαινε αρχικά με τα δευτερόνια, τα οποία περιέχουν ήδη διπλά πρωτόνια και νετρόνια, οι αντιδράσεις στα αστέρια θα προχωρούσαν σχετικά εύκολα. Η ταχύτητα με την οποία κάθε συγκεκριμένος τύπος ατόμου κινείται μέσα σε ένα νέφος παρόμοιων ατόμων εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα και τόσο πιο κοντά βρίσκονται τα άτομα μεταξύ τους, προκαλώντας μια στιγμιαία σύγκρουση.
Στα αστέρια, η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή ώστε τα ηλεκτρόνια να διαφύγουν από τον πυρήνα. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι στην πραγματικότητα έχουμε να κάνουμε με ένα μικτό νέφος ηλεκτρονίων και πυρήνων. Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, οι πυρήνες τη στιγμή της σύγκρουσης είναι τόσο κοντά ο ένας στον άλλον που ενεργοποιείται η πυρηνική δύναμη, έλκοντάς τους μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα, οι πυρήνες μπορούν να «κολλήσουν μαζί» και να μετατραπούν σε μια ομάδα χαμηλότερης ενέργειας πρωτονίων και νετρονίων, απελευθερώνοντας θερμότητα. Η καυτή πυρηνική σύντηξη είναι μια προσπάθεια να πραγματοποιηθεί αυτή η διαδικασία σε εργαστηριακό περιβάλλον με χρήση δευτερίου και τριμερούς υδρογόνου (ο πυρήνας του οποίου περιέχει 1 πρωτόνιο και 2 νετρόνια) ως αέριο. Η θερμή σύντηξη απαιτεί τη διατήρηση θερμοκρασιών αερίου εκατοντάδων εκατομμυρίων βαθμών, κάτι που μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μαγνητικό πεδίο, αλλά μόνο για 1-2 δευτερόλεπτα. Ελπίζεται ότι θα είναι δυνατή η διατήρηση της θερμοκρασίας του αερίου για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Εφόσον η θερμοκρασία είναι αρκετά υψηλή, συμβαίνει μια πυρηνική αντίδραση όταν οι πυρήνες συγκρούονται.
Η κύρια μορφή με την οποία απελευθερώνεται ενέργεια είναι η απελευθέρωση νετρονίων και πρωτονίων υψηλής ενέργειας. Τα πρωτόνια μετατρέπονται σε θερμότητα πολύ γρήγορα. Η ενέργεια νετρονίων μπορεί επίσης να μετατραπεί σε θερμότητα, ωστόσο, μετά από αυτό ο εξοπλισμός γίνεται ραδιενεργός. Η απολύμανση του εξοπλισμού φαίνεται να είναι πολύ δύσκολη, επομένως η θερμή σύντηξη δεν είναι κατάλληλη ως μέθοδος για εμπορική παραγωγή ενέργειας. Σε κάθε περίπτωση, η θερμή ενέργεια σύντηξης είναι ένα όνειρο που υπάρχει εδώ και τουλάχιστον 50 χρόνια. Ωστόσο, οι περισσότεροι επιστήμονες θεωρούν τη θερμή σύντηξη ως τον μόνο τρόπο παραγωγής ενέργειας σύντηξης. Η διαδικασία της θερμής σύντηξης παράγει λιγότερη ακτινοβολία από τη σχάση, είναι μια φιλική προς το περιβάλλον και πρακτικά απεριόριστη πηγή καυσίμου στη Γη (σε σχέση με τη σύγχρονη κατανάλωση ενέργειας, θα ήταν αρκετή για πολλά εκατομμύρια χρόνια).
Τέλος, φτάνουμε στην εξήγηση της ψυχρής σύντηξης. Η ψυχρή σύντηξη θα μπορούσε να είναι ένας απλός και μη ραδιενεργός τρόπος απελευθέρωσης της ενέργειας σύντηξης. Κατά τη διάρκεια της ψυχρής σύντηξης, τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενός πυρήνα αλληλεπιδρούν με τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενός άλλου με εντελώς διαφορετικό τρόπο.
Ταυτόχρονα, η πυρηνική δύναμη τους βοηθά να σχηματίσουν μια πιο σταθερή διαμόρφωση. Για κάθε πυρηνική αντίδραση είναι απαραίτητο οι αντιδρών πυρήνες να έχουν κοινό όγκο χώρου. Αυτή η απαίτηση ονομάζεται ευθυγράμμιση σωματιδίων. Στη θερμή σύντηξη, ο συνδυασμός των σωματιδίων συμβαίνει για μικρό χρονικό διάστημα, όταν ξεπεραστεί η απωστική δύναμη δύο θετικών φορτίων και οι πυρήνες συγκρούονται. Κατά τη διάρκεια της ψυχρής σύντηξης, η συνθήκη ευθυγράμμισης σωματιδίων επιτυγχάνεται αναγκάζοντας τους πυρήνες του δευτερίου να συμπεριφέρονται ως ασαφή σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, παρά ως μικροσκοπικά σημειακά σωματίδια. Όταν προστίθεται ελαφρύ ή βαρύ υδρογόνο σε ένα βαρύ μέταλλο, κάθε «άτομο» υδρογόνου καταλαμβάνει μια θέση όπου περιβάλλεται από όλες τις πλευρές από άτομα βαρέων μετάλλων.
Αυτή η μορφή υδρογόνου ονομάζεται ενδιάμεση. Τα ηλεκτρόνια των ατόμων υδρογόνου, μαζί με το ενδιάμεσο υδρογόνο, γίνονται μέρος της μάζας των ηλεκτρονίων στο μέταλλο. Κάθε πυρήνας υδρογόνου ταλαντώνεται σαν εκκρεμές καθώς περνά μέσα από το αρνητικά φορτισμένο σύννεφο ηλεκτρονίων του μετάλλου. Τέτοιοι κραδασμοί συμβαίνουν ακόμη και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, σύμφωνα με τα αξιώματα της κβαντικής μηχανικής. Αυτό το είδος κίνησης ονομάζεται κίνηση μηδενικού σημείου. Σε αυτή την περίπτωση, οι πυρήνες γίνονται θολά αντικείμενα, όπως τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο. Ωστόσο, μια τέτοια ασάφεια δεν είναι αρκετή για να επιτρέψει σε έναν πυρήνα υδρογόνου να αλληλεπιδράσει με έναν άλλο.
Μια άλλη προϋπόθεση είναι απαραίτητη δύο ή περισσότεροι πυρήνες υδρογόνου να έχουν τον ίδιο κοινό χώρο. Το ηλεκτρικό ρεύμα που μεταφέρεται από ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο συμπεριφέρεται σαν κύμα δονούμενης ύλης παρά σαν σημειακά σωματίδια. Εάν τα ηλεκτρόνια δεν συμπεριφέρονταν όπως τα κύματα στα στερεά, ούτε τρανζίστορ ούτε σύγχρονοι υπολογιστές θα υπήρχαν σήμερα. Ένα ηλεκτρόνιο με τη μορφή κύματος ονομάζεται ηλεκτρόνιο συνάρτησης Bloch. Το μυστικό της ψυχρής σύντηξης είναι η ανάγκη λήψης ενός δευτερονίου της συνάρτησης Bloch. Προκειμένου δύο ή περισσότερα δευτερόνια να έχουν κοινό όγκο χώρου, πρέπει να παράγονται δευτερόνια κύματος μέσα ή στην επιφάνεια ενός στερεού. Μόλις δημιουργηθούν τα δευτερόνια της συνάρτησης Bloch, η πυρηνική δύναμη αρχίζει να δρα και τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν το δευτερόνιο αναδιοργανώνονται σε μια πιο σταθερή διάταξη ηλίου με λειτουργία Bloch, η οποία συνοδεύεται από την απελευθέρωση θερμότητας.
Για να μελετήσει την ψυχρή σύντηξη, ένας πειραματιστής πρέπει να αναγκάσει τα δευτερόνια σε μια κυματική κατάσταση και να τα διατηρήσει σε αυτή την κατάσταση. Πειράματα ψυχρής σύντηξης που δείχνουν την απελευθέρωση περίσσειας θερμότητας αποδεικνύουν ότι αυτό είναι δυνατό. Ωστόσο, κανείς δεν ξέρει ακόμα πώς να πραγματοποιήσει μια τέτοια διαδικασία με τον πιο αξιόπιστο τρόπο. Η χρήση ψυχρής σύντηξης υπόσχεται να παρέχει έναν ενεργειακό πόρο που θα διαρκέσει για εκατομμύρια χρόνια, χωρίς τα προβλήματα της υπερθέρμανσης του πλανήτη ή της ραδιενέργειας - γι' αυτό θα πρέπει να γίνουν σοβαρές προσπάθειες για τη μελέτη αυτού του φαινομένου.
Aktobe, 2014
Αδρόνιο.Μια κατηγορία στοιχειωδών σωματιδίων που συμμετέχουν στην ισχυρή αλληλεπίδραση. Τα αδρόνια αποτελούνται από κουάρκ και χωρίζονται σε δύο ομάδες: βαρυόνια (από τρία κουάρκ) και μεσόνια (από κουάρκ και αντικουάρκ). Το μεγαλύτερο μέρος της ύλης που παρατηρούμε αποτελείται από βαρυόνια: πρωτόνια και νουκλεόνια που αποτελούν μέρος των πυρήνων των ατόμων.
Δραστηριότητα ραδιενεργών πηγών- ο λόγος του συνολικού αριθμού διασπάσεων των ραδιενεργών πυρήνων σε μια ραδιενεργή πηγή προς το χρόνο διάσπασης.
Ακτινοβολία άλφα- ένας τύπος ιονίζουσας ακτινοβολίας - ένα ρεύμα θετικά φορτισμένων σωματιδίων (σωματίδια άλφα) που εκπέμπονται κατά τη διάρκεια της ραδιενεργής διάσπασης και των πυρηνικών αντιδράσεων. Η διεισδυτική ισχύς της ακτινοβολίας άλφα είναι χαμηλή (αποκλείεται από ένα φύλλο χαρτιού). Είναι εξαιρετικά επικίνδυνο για πηγές ακτινοβολίας άλφα να εισέλθουν στο σώμα μέσω της τροφής, του αέρα ή μέσω του κατεστραμμένου δέρματος.
Άλφα αποσύνθεση(ή α-διάσπαση) - αυθόρμητη εκπομπή σωματιδίων άλφα (πυρήνες ατόμων ηλίου) από ατομικούς πυρήνες
Σωματίδιο άλφα- ένα σωματίδιο που αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Πανομοιότυπο με τον πυρήνα ενός ατόμου ηλίου.
Εκμηδένιση- την αλληλεπίδραση ενός στοιχειώδους σωματιδίου και ενός αντισωματιδίου, με αποτέλεσμα να εξαφανίζονται, και η ενέργειά τους να μετατρέπεται σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Η εκμηδένιση είναι η αντίδραση ενός σωματιδίου και αντισωματιδίου που μετασχηματίζονται σε άλλα σωματίδια κατά τη σύγκρουση.
Το αντισωματίδιο είναι ένα σωματίδιο που έχει τις ίδιες τιμές μάζας, σπιν, φορτίου και άλλες φυσικές ιδιότητες με το «δίδυμο» σωματίδιο του, αλλά διαφέρει από αυτό στα σημάδια ορισμένων χαρακτηριστικών αλληλεπίδρασης (για παράδειγμα, το πρόσημο του ηλεκτρικού φορτίου) .
Τα αντισωματίδια είναι δίδυμα συνηθισμένων στοιχειωδών σωματιδίων, τα οποία διαφέρουν από τα τελευταία ως προς το πρόσημο του ηλεκτρικού τους φορτίου και τα σημάδια κάποιων άλλων χαρακτηριστικών. Το σωματίδιο και το αντισωματίδιο έχουν τις ίδιες μάζες, περιστροφές και διάρκεια ζωής.
ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝ- πυρηνικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής - βιομηχανική επιχείρηση για την παραγωγή ηλεκτρικής ή θερμικής ενέργειας που χρησιμοποιεί έναν ή περισσότερους αντιδραστήρες πυρηνικής ενέργειας και ένα σύνολο απαραίτητων συστημάτων, συσκευών, εξοπλισμού και δομών με το απαραίτητο προσωπικό,
Ατομο- το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου που διατηρεί τις ιδιότητές του. Αποτελείται από έναν πυρήνα με πρωτόνια και νετρόνια και ηλεκτρόνια που κινούνται γύρω από τον πυρήνα. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα.
Ατομική μάζα- η μάζα ενός ατόμου ενός χημικού στοιχείου, εκφρασμένη σε μονάδες ατομικής μάζας (amu). Για 1 amu Γίνεται αποδεκτό το 1/12 της μάζας του ισοτόπου άνθρακα με ατομική μάζα 12. 1 amu = 1,6605655·10-27 kg. Η ατομική μάζα είναι το άθροισμα των μαζών όλων των πρωτονίων και των νετρονίων σε ένα δεδομένο άτομο.
Ατομικός πυρήνας- το θετικά φορτισμένο κεντρικό τμήμα του ατόμου, γύρω από το οποίο περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια και στο οποίο συγκεντρώνεται σχεδόν ολόκληρη η μάζα του ατόμου. Αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Το πυρηνικό φορτίο καθορίζεται από το συνολικό φορτίο των πρωτονίων στον πυρήνα και αντιστοιχεί στον ατομικό αριθμό του χημικού στοιχείου στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων.
Βαρυόνια– σωματίδια που αποτελούνται από τρία κουάρκ, τα οποία καθορίζουν τους κβαντικούς αριθμούς τους. Όλα τα βαρυόνια, με εξαίρεση το πρωτόνιο, είναι ασταθή.
Πισίνα αποθήκευσης- εγκατάσταση που βρίσκεται στο χώρο του αντιδραστήρα πυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής για την προσωρινή αποθήκευση αναλωμένου πυρηνικού καυσίμου κάτω από ένα στρώμα νερού προκειμένου να μειωθεί η ραδιενέργεια και η θερμότητα διάσπασης.
Μπεκερέλ(Bq) είναι η μονάδα SI δραστικότητας μιας ραδιενεργής ουσίας. 1 Bq ισούται με τη δραστηριότητα μιας ραδιενεργής ουσίας στην οποία συμβαίνει ένα γεγονός διάσπασης σε 1 s.
ακτίνες β γ- ροή γρήγορων ηλεκτρονίων.
α-ακτίνες- ροή πυρήνων ηλίου.
ακτίνες γ- ηλεκτρομαγνητικά κύματα με πολύ μικρό μήκος κύματος (L ~ 10 -10 m).
Ακτινοβολία βήτα- ένας τύπος ιονίζουσας ακτινοβολίας - μια ροή ηλεκτρονίων ή ποζιτρονίων που εκπέμπονται κατά τη διάρκεια πυρηνικών αντιδράσεων ή ραδιενεργής διάσπασης. Η ακτινοβολία βήτα μπορεί να διεισδύσει στους ιστούς του σώματος σε βάθος 1 εκ. Αποτελεί κίνδυνο για τον άνθρωπο τόσο από την άποψη της εξωτερικής όσο και από την εσωτερική του έκθεση.
Σωματίδια βήτα– ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια που εκπέμπονται από τους ατομικούς πυρήνες, καθώς και ένα ελεύθερο νετρόνιο κατά τη διάσπαση βήτα. Κατά την ηλεκτρονική βήτα διάσπαση ενός ατομικού πυρήνα, εκπέμπεται ένα ηλεκτρόνιο e - (καθώς και ένα αντινετρίνο), ενώ κατά τη διάσπαση των ποζιτρονίων των πυρήνων εκπέμπεται ένα ποζιτρόνιο e + (και ένα νετρίνο ν). Η διάσπαση ενός ελεύθερου νετρονίου (n) παράγει ένα πρωτόνιο (p), ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο: n → p + e - + .
Ηλεκτρόνιο και ποζιτρόνιο– σταθερά σωματίδια με σπιν J = 1/2 (εσωτερική μηχανική γωνιακή ορμή), που ανήκουν στην κατηγορία των λεπτονίων. Ένα ποζιτρόνιο είναι ένα αντισωματίδιο σε ένα ηλεκτρόνιο.
Βιολογική προστασία- ένα φράγμα ακτινοβολίας που δημιουργείται γύρω από τον πυρήνα του αντιδραστήρα και το σύστημα ψύξης του για την πρόληψη των βλαβερών επιπτώσεων της ακτινοβολίας νετρονίων και γάμμα στο προσωπικό, το κοινό και το περιβάλλον. Σε έναν πυρηνικό σταθμό, το κύριο υλικό για τη βιολογική προστασία είναι το σκυρόδεμα. Για αντιδραστήρες υψηλής ισχύος, το πάχος του προστατευτικού πλέγματος σκυροδέματος φτάνει αρκετά μέτρα.
Μποζόνια(από το όνομα του Ινδού φυσικού S. Bose) – στοιχειώδη σωματίδια, ατομικοί πυρήνες, άτομα με μηδενικό ή ακέραιο σπιν (0ћ, 1ћ, 2ћ,…).
Γρήγορα νετρόνια- νετρόνια των οποίων η κινητική ενέργεια είναι μεγαλύτερη από μια ορισμένη τιμή. Αυτή η τιμή μπορεί να ποικίλλει σε μεγάλο εύρος και εξαρτάται από την εφαρμογή (φυσική αντιδραστήρα, προστασία ή δοσιμετρία). Στη φυσική των αντιδραστήρων, αυτή η τιμή επιλέγεται συχνότερα να είναι 0,1 MeV.
θάλαμος Wilson– ανιχνευτής τροχιάς στοιχειωδών φορτισμένων σωματιδίων, στον οποίο η τροχιά (ίχνος) ενός σωματιδίου σχηματίζεται από μια αλυσίδα μικρών σταγονιδίων υγρού κατά μήκος της τροχιάς της κίνησής του.
Ακτινοβολία γάμμα- ένα είδος ιονίζουσας ακτινοβολίας - ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται κατά τη διάρκεια της ραδιενεργής διάσπασης και των πυρηνικών αντιδράσεων, που διαδίδεται με την ταχύτητα του φωτός και έχει υψηλή ενέργεια και ικανότητα διείσδυσης. Αποδυναμώνεται αποτελεσματικά όταν αλληλεπιδρά με βαριά στοιχεία, όπως ο μόλυβδος. Για την εξασθένιση της ακτινοβολίας γάμμα στους πυρηνικούς αντιδραστήρες στα πυρηνικά εργοστάσια, χρησιμοποιείται ένα προστατευτικό πλέγμα με παχύ τοίχωμα από σκυρόδεμα.
Νόμος της Ραδιενεργής Διάσπασης- ο νόμος με τον οποίο βρίσκεται ο αριθμός των αδιάσπαστων ατόμων: N = N 0 2 -t/T.
Δευτέριο- «βαρύ» ισότοπο υδρογόνου με ατομική μάζα 2.
Ανιχνευτής ιοντίζουσας ακτινοβολίας- ένα ευαίσθητο στοιχείο οργάνου μέτρησης που έχει σχεδιαστεί για την καταγραφή της ιονίζουσας ακτινοβολίας. Η δράση του βασίζεται σε φαινόμενα που συμβαίνουν όταν η ακτινοβολία περνά μέσα από την ύλη.
Δόση ακτινοβολίας- στην ασφάλεια ακτινοβολίας - ένα μέτρο της επίδρασης της ιονίζουσας ακτινοβολίας σε ένα βιολογικό αντικείμενο, ιδιαίτερα σε ένα άτομο. Υπάρχουν δόσεις έκθεσης, απορρόφησης και ισοδύναμες δόσεις.
Υπερβολική μάζα(ή μαζικό ελάττωμα) – εκφρασμένη σε ενεργειακές μονάδες, η διαφορά μεταξύ της μάζας ενός ουδέτερου ατόμου και του γινόμενου του αριθμού των νουκλεονίων (ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων) στον πυρήνα αυτού του ατόμου ανά μονάδα ατομικής μάζας
Ισότοπα- νουκλεΐδια που έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό αλλά διαφορετικές ατομικές μάζες (για παράδειγμα, ουράνιο-235 και ουράνιο-238).
Ισότοπα– ατομικοί πυρήνες που έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων Z, διαφορετικό αριθμό νετρονίων N και, επομένως, διαφορετικό αριθμό μάζας A = Z + N. Παράδειγμα: ισότοπα ασβεστίου Ca (Z = 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca.
Τα ραδιενεργά ισότοπα είναι ισοτοπικοί πυρήνες που υφίστανται ραδιενεργό διάσπαση. Τα περισσότερα γνωστά ισότοπα είναι ραδιενεργά (~3500).
θάλαμος Wilson- συσκευή για την παρατήρηση ιχνών μικροσωματιδίων που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, σωματίδια α κ.λπ.). Δημιουργήθηκε το 1912 από τον Άγγλο φυσικό Wilson.
Ένα κουάρκ είναι ένα στοιχειώδες φορτισμένο σωματίδιο που συμμετέχει στην ισχυρή αλληλεπίδραση. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται το καθένα από τρία κουάρκ.
Κοσμική ακτινοβολία- ιονίζουσα ακτινοβολία υποβάθρου, η οποία αποτελείται από πρωτογενή ακτινοβολία που προέρχεται από το διάστημα και δευτερογενή ακτινοβολία που προκύπτει από την αλληλεπίδραση της πρωτογενούς ακτινοβολίας με την ατμόσφαιρα.
Οι κοσμικές ακτίνες είναι ρεύματα φορτισμένων στοιχειωδών σωματιδίων υψηλής ενέργειας (κυρίως πρωτόνια, σωματίδια άλφα και ηλεκτρόνια) που διαδίδονται στον διαπλανητικό και διαστρικό χώρο και «βομβαρδίζουν» συνεχώς τη Γη.
Ρυθμός αναπαραγωγής- το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό μιας αλυσιδωτής αντίδρασης σχάσης, που δείχνει την αναλογία του αριθμού των νετρονίων μιας δεδομένης γενιάς προς τον αριθμό των νετρονίων της προηγούμενης γενιάς σε ένα άπειρο περιβάλλον. Ένας άλλος ορισμός του συντελεστή πολλαπλασιασμού χρησιμοποιείται συχνά - η αναλογία των ρυθμών παραγωγής και απορρόφησης νετρονίων.
Κρίσιμη μάζα- τη μικρότερη μάζα καυσίμου στην οποία μπορεί να συμβεί μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση πυρηνικής σχάσης δεδομένου ενός συγκεκριμένου σχεδιασμού και σύνθεσης του πυρήνα (εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, για παράδειγμα: σύνθεση καυσίμου, συντονιστής, σχήμα πυρήνα κ.λπ.).
Κιουρί (Ci)- εξωσυστημική μονάδα δραστηριότητας, αρχικά η δραστηριότητα 1 g του ισοτόπου ραδίου-226. 1Ci=3,7·1010 Bq.
Κρίσιμη μάζα(tk) - η μικρότερη μάζα πυρηνικού καυσίμου (ουράνιο, πλουτώνιο) στην οποία συμβαίνει μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση.
Μονάδα ραδιοενέργειαςΤο (Ci) είναι μια μονάδα δραστηριότητας εκτός συστήματος μιας ραδιενεργής ουσίας. 1 Ci = 3,7 10 10 Bq.
Λεπτόνια(από το ελληνικό leptos - ελαφρύ, μικρό) - μια ομάδα σημειακών σωματιδίων με σπιν 1/2ћ που δεν συμμετέχουν σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Μέγεθος Lepton (αν υπάρχει)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- ηλεκτρόνιο (e –) και νετρίνο ηλεκτρονίων (ν e),
- μιόνιο (μ –) και νετρίνο μιονίου (ν μ),
- ταυ λεπτόν (τ –) και ταυ νετρίνο (ν τ),
Οι μαγικοί πυρήνες είναι ατομικοί πυρήνες που περιέχουν τους λεγόμενους μαγικούς αριθμούς πρωτονίων ή νετρονίων.
| Ζ | |||||||
| Ν |
Αυτοί οι πυρήνες έχουν ενέργεια δέσμευσης μεγαλύτερη από τους γειτονικούς πυρήνες. Έχουν υψηλότερη ενέργεια διαχωρισμού νουκλεονίων και είναι πιο κοινά στη φύση.
Μαζικός αριθμός(Α) - ο συνολικός αριθμός νουκλεονίων (πρωτόνια και νετρόνια) στον ατομικό πυρήνα. ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά του ατομικού πυρήνα.
Ρυθμός δόσης- ο λόγος της αύξησης της δόσης ακτινοβολίας σε ένα χρονικό διάστημα προς αυτό το διάστημα (για παράδειγμα: rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, μrem/h, μSv/h).
Νετρόνιο- ένα ουδέτερο στοιχειώδες σωματίδιο με μάζα κοντά στη μάζα ενός πρωτονίου. Μαζί με τα πρωτόνια, τα νετρόνια σχηματίζουν τον ατομικό πυρήνα. Στην ελεύθερη κατάσταση είναι ασταθής και διασπάται σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο.
Νουκλίδιο- ένας τύπος ατόμου με ορισμένο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων στον πυρήνα, που χαρακτηρίζεται από ατομική μάζα και ατομικό (τατικό) αριθμό.
Εμπλουτισμός (κατά ισότοπο):
2. Διεργασία που οδηγεί σε αύξηση της περιεκτικότητας ενός συγκεκριμένου ισοτόπου σε ένα μείγμα ισοτόπων.
Εμπλουτισμός μεταλλεύματος ουρανίου- ένα σύνολο διεργασιών για την πρωτογενή επεξεργασία πρώτων υλών που περιέχουν ορυκτό ουράνιο, με στόχο τον διαχωρισμό του ουρανίου από άλλα ορυκτά που αποτελούν το μετάλλευμα. Στην περίπτωση αυτή, δεν υπάρχει αλλαγή στη σύσταση των ορυκτών, αλλά μόνο ο μηχανικός διαχωρισμός τους για την παραγωγή συμπυκνώματος μεταλλεύματος.
Εμπλουτισμένο πυρηνικό καύσιμο- πυρηνικό καύσιμο, στο οποίο η περιεκτικότητα σε σχάσιμα νουκλεΐδια είναι μεγαλύτερη από ό,τι στις αρχικές φυσικές πρώτες ύλες.
Εμπλουτισμένο ουράνιο- ουράνιο, στο οποίο η περιεκτικότητα του ισοτόπου ουρανίου-235 είναι υψηλότερη από ό,τι στο φυσικό ουράνιο.
ΗμιζωήΤο (T) είναι το χρονικό διάστημα κατά το οποίο ο μισός αρχικός αριθμός πυρήνων θα αποσυντεθεί.
Ημιζωή– ο χρόνος κατά τον οποίο διασπώνται οι μισοί ραδιενεργοί πυρήνες. Αυτή η ποσότητα, που συμβολίζεται T 1/2, είναι μια σταθερά για έναν δεδομένο ραδιενεργό πυρήνα (ισότοπο). Η τιμή T 1/2 χαρακτηρίζει σαφώς τον ρυθμό διάσπασης των ραδιενεργών πυρήνων και είναι ισοδύναμη με δύο άλλες σταθερές που χαρακτηρίζουν αυτόν τον ρυθμό: τη μέση διάρκεια ζωής ενός ραδιενεργού πυρήνα τ και την πιθανότητα διάσπασης ενός ραδιενεργού πυρήνα ανά μονάδα χρόνου λ.
Απορροφημένη δόση ακτινοβολίας- η αναλογία της απορροφούμενης ενέργειας Ε της ιονίζουσας ακτινοβολίας προς τη μάζα της ουσίας που ακτινοβολείται από αυτήν.
Τα αξιώματα του Bohr- βασικές υποθέσεις που εισήγαγε χωρίς απόδειξη ο N. Bohr, οι οποίες αποτελούν τη βάση της κβαντικής θεωρίας του ατόμου.
Κανόνας μετατόπισης:κατά τη διάσπαση α, ο πυρήνας χάνει το θετικό του φορτίο 2e και η μάζα του μειώνεται κατά περίπου 4 amu. Κατά τη διάσπαση β, το φορτίο του πυρήνα αυξάνεται κατά 1e, αλλά η μάζα δεν αλλάζει.
Χρόνος ημιζωής ενός ραδιονουκλιδίου- ο χρόνος κατά τον οποίο ο αριθμός των πυρήνων ενός δεδομένου ραδιονουκλιδίου ως αποτέλεσμα της αυθόρμητης διάσπασης θα μειωθεί κατά το ήμισυ.
Θετικόν ηλεκτρόνιο- ένα αντισωματίδιο ενός ηλεκτρονίου με μάζα ίση με τη μάζα του ηλεκτρονίου, αλλά θετικό ηλεκτρικό φορτίο.
Πρωτόνιο- ένα σταθερό θετικά φορτισμένο στοιχειώδες σωματίδιο με φορτίο 1,61·10-19 C και μάζα 1,66·10-27 kg. Το πρωτόνιο σχηματίζει τον πυρήνα ενός «ελαφρού» ισοτόπου του ατόμου του υδρογόνου (πρωτίου). Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα οποιουδήποτε στοιχείου καθορίζει το φορτίο του πυρήνα και τον ατομικό αριθμό αυτού του στοιχείου.
Ραδιοενέργεια- αυθόρμητη μετατροπή (ραδιενεργή διάσπαση) ενός ασταθούς νουκλιδίου σε άλλο νουκλίδιο, συνοδευόμενη από εκπομπή ιοντίζουσας ακτινοβολίας.
Ραδιοενέργεια- την ικανότητα ορισμένων ατομικών πυρήνων να μετασχηματίζονται αυθόρμητα σε άλλους πυρήνες, εκπέμποντας διάφορα σωματίδια.
Ραδιενεργή διάσπαση- αυθόρμητος πυρηνικός μετασχηματισμός.
Αντιδραστήρας εκτροφής- ένας γρήγορος αντιδραστήρας στον οποίο ο συντελεστής μετατροπής υπερβαίνει το 1 και πραγματοποιείται εκτεταμένη αναπαραγωγή πυρηνικού καυσίμου.
μέτρο ραδιενέργειας(ή μετρητής Geiger-Muller) είναι ένας μετρητής φορτισμένων στοιχειωδών σωματιδίων γεμάτος αέριο, το ηλεκτρικό σήμα από το οποίο ενισχύεται λόγω του δευτερογενούς ιονισμού του όγκου αερίου του μετρητή και δεν εξαρτάται από την ενέργεια που αφήνει το σωματίδιο σε αυτό. Ενταση ΗΧΟΥ.
Στοιχείο καυσίμου- στοιχείο καυσίμου. Το κύριο δομικό στοιχείο του πυρήνα ενός ετερογενούς αντιδραστήρα, με τη μορφή του οποίου φορτώνεται καύσιμο σε αυτόν. Στα στοιχεία καυσίμου, εμφανίζεται σχάση βαρέων πυρήνων U-235, Pu-239 ή U-233, συνοδευόμενη από την απελευθέρωση ενέργειας και η θερμική ενέργεια μεταφέρεται από αυτούς στο ψυκτικό. Τα στοιχεία καυσίμου αποτελούνται από πυρήνα καυσίμου, επένδυση και ακραία μέρη. Ο τύπος του στοιχείου καυσίμου καθορίζεται από τον τύπο και τον σκοπό του αντιδραστήρα και τις παραμέτρους του ψυκτικού. Το στοιχείο καυσίμου πρέπει να εξασφαλίζει αξιόπιστη απομάκρυνση θερμότητας από το καύσιμο στο ψυκτικό.
Σώμα εργασίας- μέσο (ψυκτικό) που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια.
Σκοτεινή ύλη− αόρατη (μη εκπεμπόμενη και μη απορροφητική) ουσία. Η ύπαρξή του αποδεικνύεται σίγουρα από βαρυτικά φαινόμενα. Τα δεδομένα παρατήρησης υποδηλώνουν επίσης ότι αυτή η σκοτεινή ύλη-ενέργεια χωρίζεται σε δύο μέρη:
- το πρώτο είναι η λεγόμενη σκοτεινή ύλη με πυκνότητα
W dm = 0,20–0,25, – άγνωστα, ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (όχι βαρυόνια). Αυτά θα μπορούσαν να είναι, για παράδειγμα, σταθερά ουδέτερα σωματίδια με μάζες από 10 GeV/c2 έως 10 TeV/c2, που προβλέπονται από υπερσυμμετρικά μοντέλα, συμπεριλαμβανομένων των υποθετικών βαρέων νετρίνων.
το δεύτερο είναι η λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια με πυκνότητα
W Λ = 0,70–0,75), το οποίο ερμηνεύεται ως κενό. Αυτό αναφέρεται σε μια ειδική μορφή ύλης - φυσικό κενό, δηλ. η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση των φυσικών πεδίων που διαπερνούν το χώρο.
Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις− αντιδράσεις σύντηξης (σύνθεσης) ελαφρών πυρήνων που συμβαίνουν σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτές οι αντιδράσεις συνήθως περιλαμβάνουν την απελευθέρωση ενέργειας, αφού στον βαρύτερο πυρήνα που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της συγχώνευσης τα νουκλεόνια συνδέονται πιο έντονα, δηλ. έχουν, κατά μέσο όρο, υψηλότερη ενέργεια δέσμευσης από ό,τι στους αρχικούς συγχωνευόμενους πυρήνες. Η περίσσεια συνολική ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων απελευθερώνεται με τη μορφή κινητικής ενέργειας των προϊόντων αντίδρασης. Η ονομασία «θερμοπυρηνικές αντιδράσεις» αντανακλά το γεγονός ότι αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν σε υψηλές θερμοκρασίες ( > 10 7 –10 8 K), αφού για τη σύντηξη οι ελαφροί πυρήνες πρέπει να ενωθούν σε αποστάσεις ίσες με την ακτίνα δράσης των πυρηνικών ελκτικών δυνάμεων, δηλ. σε αποστάσεις ≈10 -13 cm.
Υπερουρανικά στοιχεία− χημικά στοιχεία με φορτίο (αριθμός πρωτονίων) μεγαλύτερο από αυτό του ουρανίου, δηλ. Ζ>92.
Αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης- μια αυτοσυντηρούμενη αντίδραση σχάσης βαρέων πυρήνων, στην οποία παράγονται συνεχώς νετρόνια, διαιρώντας όλο και περισσότερους νέους πυρήνες.
Αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης- η αλληλουχία της αντίδρασης σχάσης των πυρήνων των βαρέων ατόμων όταν αλληλεπιδρούν με νετρόνια ή άλλα στοιχειώδη σωματίδια, ως αποτέλεσμα της οποίας σχηματίζονται ελαφρύτεροι πυρήνες, νέα νετρόνια ή άλλα στοιχειώδη σωματίδια και απελευθερώνεται πυρηνική ενέργεια.
Πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση- μια ακολουθία πυρηνικών αντιδράσεων που διεγείρονται από σωματίδια (για παράδειγμα, νετρόνια) που γεννιούνται σε κάθε συμβάν αντίδρασης. Ανάλογα με τον μέσο αριθμό αντιδράσεων μετά από μια προηγούμενη - μικρότερη από, ίση ή μεγαλύτερη από μία - η αντίδραση ονομάζεται αποσύνθεση, αυτοσυντηρούμενη ή αυξανόμενη.
Πυρηνικές αλυσιδωτές αντιδράσεις– αυτοσυντηρούμενες πυρηνικές αντιδράσεις στις οποίες εμπλέκεται διαδοχικά μια αλυσίδα πυρήνων. Αυτό συμβαίνει όταν ένα από τα προϊόντα μιας πυρηνικής αντίδρασης αντιδρά με έναν άλλο πυρήνα, το προϊόν μιας δεύτερης αντίδρασης αντιδρά με τον επόμενο πυρήνα και ούτω καθεξής. Μια αλυσίδα πυρηνικών αντιδράσεων ακολουθεί η μία μετά την άλλη. Το πιο διάσημο παράδειγμα μιας τέτοιας αντίδρασης είναι η αντίδραση πυρηνικής σχάσης που προκαλείται από ένα νετρόνιο
Εξώθερμες αντιδράσεις- πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν με την απελευθέρωση ενέργειας.
Στοιχειώδη σωματίδια- τα μικρότερα σωματίδια φυσικής ύλης. Οι ιδέες για τα στοιχειώδη σωματίδια αντικατοπτρίζουν το στάδιο της γνώσης της δομής της ύλης που έχει επιτευχθεί από τη σύγχρονη επιστήμη. Μαζί με τα αντισωματίδια, έχουν ανακαλυφθεί περίπου 300 στοιχειώδη σωματίδια. Ο όρος «στοιχειώδη σωματίδια» είναι υπό όρους, αφού πολλά στοιχειώδη σωματίδια έχουν πολύπλοκη εσωτερική δομή.
Στοιχειώδη σωματίδια– υλικά αντικείμενα που δεν μπορούν να χωριστούν στα συστατικά μέρη τους. Σύμφωνα με αυτόν τον ορισμό, τα μόρια, τα άτομα και οι ατομικοί πυρήνες που μπορούν να χωριστούν σε συστατικά μέρη δεν μπορούν να ταξινομηθούν ως στοιχειώδη σωματίδια - ένα άτομο χωρίζεται σε πυρήνα και τροχιακά ηλεκτρόνια, ένας πυρήνας σε νουκλεόνια.
Ενεργειακή παραγωγή μιας πυρηνικής αντίδρασης- τη διαφορά μεταξύ των υπόλοιπων ενεργειών των πυρήνων και των σωματιδίων πριν και μετά την αντίδραση.
Ενδόθερμες αντιδράσεις- πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν με την απορρόφηση ενέργειας.
Ενέργεια δέσμευσης ενός ατομικού πυρήνα(E St) - χαρακτηρίζει την ένταση της αλληλεπίδρασης των νουκλεονίων στον πυρήνα και είναι ίση με τη μέγιστη ενέργεια που πρέπει να δαπανηθεί για να διαιρεθεί ο πυρήνας σε μεμονωμένα νουκλεόνια που δεν αλληλεπιδρούν χωρίς να τους προσδώσει κινητική ενέργεια.
Εφέ Mössb ουαέρα - το φαινόμενο της συντονιστικής απορρόφησης γάμμα κβαντών από ατομικούς πυρήνες χωρίς απώλεια ενέργειας λόγω επιστροφής ορμής.
Πυρηνικό (πλανητικό) μοντέλο του ατόμου- στο κέντρο υπάρχει ένας θετικά φορτισμένος πυρήνας (διάμετρος περίπου 10 -15 m). γύρω από τον πυρήνα, όπως και οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος, τα ηλεκτρόνια κινούνται σε κυκλικές τροχιές.
Πυρηνικά μοντέλα– απλουστευμένες θεωρητικές περιγραφές ατομικών πυρήνων, με βάση την αναπαράσταση του πυρήνα ως αντικειμένου με προηγουμένως γνωστές χαρακτηριστικές ιδιότητες.
Αντίδραση πυρηνικής σχάσης- αντίδραση σχάσης ατομικών πυρήνων βαρέων στοιχείων υπό την επίδραση νετρονίων.
Πυρηνική αντίδραση- η αντίδραση μετασχηματισμού ατομικών πυρήνων ως αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης μεταξύ τους ή με οποιαδήποτε στοιχειώδη σωματίδια.
Πυρηνική δύναμη- αυτή είναι η ενέργεια που απελευθερώνεται ως αποτέλεσμα της εσωτερικής αναδιάρθρωσης των ατομικών πυρήνων. Η πυρηνική ενέργεια μπορεί να ληφθεί από πυρηνικές αντιδράσεις ή ραδιενεργό διάσπαση πυρήνων. Οι κύριες πηγές πυρηνικής ενέργειας είναι οι αντιδράσεις σχάσης βαρέων πυρήνων και η σύντηξη (συνδυασμός) ελαφρών πυρήνων. Η τελευταία διαδικασία ονομάζεται επίσης θερμοπυρηνικές αντιδράσεις.
Πυρηνικές δυνάμεις- δυνάμεις που δρουν μεταξύ νουκλεονίων σε ατομικούς πυρήνες και καθορίζουν τη δομή και τις ιδιότητες των πυρήνων. Είναι μικρής εμβέλειας, η εμβέλειά τους είναι 10 -15 m.
Πυρηνικός αντιδραστήρας- συσκευή στην οποία πραγματοποιείται ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση πυρηνικής σχάσης.
Μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης είναι μια αλυσιδωτή αντίδραση σε ένα μέσο για το οποίο ο συντελεστής πολλαπλασιασμού k >= 1.
Πυρηνικό ατύχημα- πυρηνικό ατύχημα είναι η απώλεια ελέγχου της αλυσιδωτής αντίδρασης στον αντιδραστήρα ή ο σχηματισμός κρίσιμης μάζας κατά την επαναφόρτωση, τη μεταφορά και την αποθήκευση στοιχείων καυσίμου. Ως αποτέλεσμα πυρηνικού ατυχήματος, λόγω ανισορροπίας της παραγόμενης και της αφαιρούμενης θερμότητας, οι ράβδοι καυσίμου καταστρέφονται με την απελευθέρωση ραδιενεργών προϊόντων σχάσης. Σε αυτή την περίπτωση, είναι πιθανή η επικίνδυνη έκθεση ανθρώπων και η μόλυνση της γύρω περιοχής. .
Πυρηνική ασφάλεια- ένας γενικός όρος που χαρακτηρίζει τις ιδιότητες μιας πυρηνικής εγκατάστασης κατά την κανονική λειτουργία και σε περίπτωση ατυχήματος για τον περιορισμό των επιπτώσεων της ακτινοβολίας στο προσωπικό, το κοινό και το περιβάλλον σε αποδεκτά όρια.
Πυρηνική διάσπαση- διαδικασία που συνοδεύεται από διάσπαση του πυρήνα ενός βαρέος ατόμου κατά την αλληλεπίδραση με νετρόνιο ή άλλο στοιχειώδες σωματίδιο, ως αποτέλεσμα της οποίας σχηματίζονται ελαφρύτεροι πυρήνες, νέα νετρόνια ή άλλα στοιχειώδη σωματίδια και απελευθερώνεται ενέργεια.
Πυρηνικό υλικό- οποιοδήποτε υλικό προέλευσης, ειδικό πυρηνικό υλικό και μερικές φορές μεταλλεύματα και απόβλητα μεταλλεύματος.
Πυρηνικός μετασχηματισμός- μετατροπή ενός νουκλεϊδίου σε άλλο.
Πυρηνικός αντιδραστήρας- συσκευή στην οποία λαμβάνει χώρα ελεγχόμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες ταξινομούνται ανάλογα με τον σκοπό, την ενέργεια νετρονίων, τον τύπο του ψυκτικού μέσου και τον συντονιστή, τη δομή του πυρήνα, το σχεδιασμό και άλλα χαρακτηριστικά χαρακτηριστικά.
Πυρηνική αντίδραση- μετασχηματισμός ατομικών πυρήνων που προκαλείται από την αλληλεπίδρασή τους με στοιχειώδη σωματίδια ή μεταξύ τους και συνοδεύεται από αλλαγή της μάζας, του φορτίου ή της ενεργειακής κατάστασης των πυρήνων.
Πυρηνικό καύσιμο- υλικό που περιέχει σχάσιμα νουκλεΐδια, τα οποία, όταν τοποθετούνται σε πυρηνικό αντιδραστήρα, επιτρέπουν την πραγματοποίηση πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης. Έχει πολύ υψηλή ενεργειακή ένταση (με την πλήρη σχάση 1 kg U-235, απελευθερώνεται ενέργεια ίση με J, ενώ από την καύση 1 kg οργανικού καυσίμου απελευθερώνεται ενέργεια της τάξης των (3-5) J, ανάλογα για τον τύπο του καυσίμου).
Κύκλος πυρηνικού καυσίμου- ένα σύνολο μέτρων για τη διασφάλιση της λειτουργίας πυρηνικών αντιδραστήρων που εκτελούνται σε ένα σύστημα επιχειρήσεων που διασυνδέονται με τη ροή πυρηνικού υλικού και περιλαμβάνουν ορυχεία ουρανίου, μονάδες επεξεργασίας μεταλλεύματος ουρανίου, μετατροπή ουρανίου, εμπλουτισμό και παραγωγή καυσίμου, πυρηνικούς αντιδραστήρες, αναλωθέν καύσιμο εγκαταστάσεις αποθήκευσης, εγκαταστάσεις επανεπεξεργασίας αναλωμένων καυσίμων καύσιμα και συναφείς ενδιάμεσες εγκαταστάσεις αποθήκευσης και εγκαταστάσεις διάθεσης ραδιενεργών αποβλήτων
Πυρηνική εγκατάσταση- κάθε εγκατάσταση στην οποία παράγονται, υφίστανται επεξεργασία ή χειρίζονται ραδιενεργά ή σχάσιμα υλικά σε τέτοιες ποσότητες που είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη ζητήματα πυρηνικής ασφάλειας.
Πυρηνική δύναμη- εσωτερική ενέργεια των ατομικών πυρήνων που απελευθερώνεται κατά την πυρηνική σχάση ή τις πυρηνικές αντιδράσεις.
Αντιδραστήρας πυρηνικής ενέργειας- ένας πυρηνικός αντιδραστήρας του οποίου ο κύριος σκοπός είναι η παραγωγή ενέργειας.
Πυρηνικός αντιδραστήρας- ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια συσκευή σχεδιασμένη για να οργανώνει μια ελεγχόμενη αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης - μια ακολουθία αντιδράσεων πυρηνικής σχάσης στην οποία απελευθερώνονται ελεύθερα νετρόνια, απαραίτητα για τη σχάση νέων πυρήνων.
Ταχύς πυρηνικός αντιδραστήρας νετρονίων- οι αντιδραστήρες διαφέρουν σημαντικά ως προς το φάσμα των νετρονίων - την κατανομή των νετρονίων με ενέργεια, και, κατά συνέπεια, στο φάσμα των απορροφημένων (προκαλώντας πυρηνική σχάση) νετρονίων. Εάν ο πυρήνας δεν περιέχει ελαφρούς πυρήνες ειδικά σχεδιασμένους για μετριοπάθεια ως αποτέλεσμα ελαστικής σκέδασης, τότε σχεδόν όλη η μετριοπάθεια οφείλεται στην ανελαστική σκέδαση νετρονίων από πυρήνες βαριάς και μέσης μάζας. Σε αυτή την περίπτωση, οι περισσότερες σχάσεις προκαλούνται από νετρόνια με ενέργειες της τάξης των δεκάδων και εκατοντάδων keV. Τέτοιοι αντιδραστήρες ονομάζονται αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων.
Θερμικός πυρηνικός αντιδραστήρας νετρονίων- ένας αντιδραστήρας του οποίου ο πυρήνας περιέχει τέτοια ποσότητα ρυθμιστή - ένα υλικό σχεδιασμένο να μειώνει την ενέργεια των νετρονίων χωρίς να τα απορροφά αισθητά - που οι περισσότερες σχάσεις προκαλούνται από νετρόνια με ενέργειες μικρότερες από 1 eV.
Πυρηνικές δυνάμεις- δυνάμεις που συγκρατούν νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) στον πυρήνα.
Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι βραχείας δράσης . Εμφανίζονται μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ νουκλεονίων στον πυρήνα της τάξης των 10 -15 μ. Το μήκος (1,5 - 2,2) 10 -15 ονομάζεται εύρος πυρηνικών δυνάμεων .
Οι πυρηνικές δυνάμεις ανακαλύπτουν χρέωση ανεξαρτησίας , δηλαδή, η έλξη μεταξύ δύο νουκλεονίων είναι η ίδια ανεξάρτητα από την κατάσταση φορτίου των νουκλεονίων - πρωτόνιο ή νετρόνιο.
Οι πυρηνικές δυνάμεις έχουν ιδιότητα κορεσμού , το οποίο εκδηλώνεται στο γεγονός ότι ένα νουκλεόνιο σε έναν πυρήνα αλληλεπιδρά μόνο με έναν περιορισμένο αριθμό γειτονικών νουκλεονίων που βρίσκονται πιο κοντά του. Σχεδόν πλήρης κορεσμός των πυρηνικών δυνάμεων επιτυγχάνεται στο α-σωματίδιο, το οποίο είναι ένας πολύ σταθερός σχηματισμός.
Πυρηνικές δυνάμεις εξαρτώνται από τον προσανατολισμό των σπιν των νουκλεονίων που αλληλεπιδρούν . Αυτό επιβεβαιώνεται από τη διαφορετική φύση της σκέδασης νετρονίων από μόρια ορθο- και ατμού υδρογόνου.
Πυρηνικές δυνάμεις δεν είναι κεντρικές δυνάμεις .
- Σε επαφή με 0
- Google+ 0
- Εντάξει 0
- Facebook 0
