- Tulkošana
Fakts, kas daudzus no tiem, kas pirmo reizi pēta parastās vielas dabu, mulsina, ir tas, ka jebkura atoma, kas ir smagāks par ūdeņradi, kodols satur gan protonus, gan neitronus, bet tajā pašā laikā neitroni sadalās (sairst citās daļiņās). vidēji 15 minūtes! Kā oglekļa, skābekļa, slāpekļa, silīcija kodoli var būt tik stabili, ja neitroni, no kuriem tie sastāv, nevar izdzīvot paši?
Atbilde uz šo jautājumu izrādās ļoti vienkārša, kad saprotat, kā darbojas enerģija: tā ir tīra grāmatvedība. Bet saprast enerģiju nepavisam nav viegli. Vispirms jums ir jāizlasa. Pirms tam jums jāiepazīstas ar. Šie jēdzieni ir jāievieš, pirms saprotat atbildi uz doto jautājumu.
Ja lasāt rakstu par mijiedarbības enerģiju, jūs zināt, ka ūdeņraža atoms sastāv no protona un elektrona, kuri negatīvās saistīšanas enerģijas dēļ nespēj aizbēgt viens no otra – tie ir bloķēti atoma iekšienē. Negatīvā saistīšanās enerģija nāk no negatīvas mijiedarbības enerģijas, ko daļēji līdzsvaro elektronu (un nedaudz protonu) kustības pozitīvā enerģija. Mijiedarbības enerģija rodas no elektrona ietekmes uz elektrisko lauku protona tuvumā (un otrādi).
Šajā rakstā es paskaidrošu, kāpēc neitrons ir stabils nākamajā vienkāršākajā atoma kodolā: deuteronā, “smagā ūdeņraža” vai “deitērija” kodolā. Deuterons sastāv no viena neitrona un viena protona - principā vienkāršs un ne pārāk atšķiras no ūdeņraža atoma ar vienu elektronu un vienu protonu. Kad jūs sapratīsit, kāpēc neitrons ir stabils deuteronā, jūs sapratīsit pamatprincipu, ka neitroni var būt stabili visos stabilos kodolos. Secinājums ir šāds: protonu un neitronu mijiedarbības enerģija ir negatīva un diezgan liela, tāpēc dažos kodolos neitronu sabrukšana izraisītu sistēmas (kas sastāv no kodola paliekām) enerģijas palielināšanos. pēc tā sabrukšanas un visām sabrukšanas laikā izdalītajām daļiņām), kas pārkāptu enerģijas nezūdamības likumu. Tā kā enerģija ir jātaupa, sabrukšana nav iespējama.
Es neaprakstīšu neitrona mijiedarbību ar protonu, jo tā ir atbildīga par spēcīgu mijiedarbību, kas ir daudz sarežģītāka nekā elektriskā (un magnētiskā) mijiedarbība starp protonu un elektronu, kas veido ūdeņraža atomu. Daļa no šīs sarežģītības ir saistīta ar mijiedarbības salikto raksturu - nedaudz līdzīgi kā elektromagnētiskais spēks var saistīt divus ūdeņraža atomus ūdeņraža molekulā, lai gan abi atomi ir elektriski neitrāli. Bet šī analoģija neaptver dažas svarīgas detaļas. Kodolfizika ir atsevišķa tēma.
Rīsi. 1
Par laimi, mums šie sarežģījumi nav vajadzīgi. Mums jāzina, ka šie spēki rada negatīvas mijiedarbības enerģiju protonu, neitronu un dažādu sarežģītu lauku sistēmai, ļaujot tiem ietekmēt vienam otru. Rezultāts ir stabils deuterons. Tāpat kā ūdeņraža atoms nevar pēkšņi sadalīties par elektronu un protonu, deuterons nevar pēkšņi sadalīties par neitronu un protonu.
Tas nenozīmē, ka deuteronu vai ūdeņraža atomu nevar iznīcināt. Jūs varat “jonizēt” ūdeņraža atomu (izsist elektronu no protona), ja pievienojat ārēju enerģiju - piemēram, diezgan enerģiska fotona veidā. To pašu metodi var izmantot, lai sadalītu deitēriju un izsist no protona neitronu. Bet enerģija tam ir jāiegūst ārpus sistēmas; ne ūdeņradis, ne deuterons nesadalīsies paši no sevis.
Neitroni var sadalīties
Atcerēsimies nepieciešamo (bet ne pietiekamo) objekta sabrukšanas nosacījumu - sākotnējā objekta masai ir jāpārsniedz to objektu masu summa, kuros tas sadalās. No kurienes rodas šis nosacījums? No enerģijas nezūdamības likuma. Drīzumā redzēsim, kā un kāpēc (kā parasti, ar masu es domāju "atpūtas masu").
Rīsi. 2
Pārbaudīsim, vai šis nosacījums ir izpildīts neitronam, kas var sadalīties protonā, elektronā un elektronu antineitrīnā. Sabrukšana parādīta 2. attēlā; neitrons spontāni pārvēršas šajās trīs daļiņās. Neitronam un protonam patiesībā ir lielāks izmērs nekā elektronam un antineitronam, lai gan zīmējums joprojām nav mērogots. Neitrona vai protona diametrs ir aptuveni viena miljardā daļa no metra triljonās daļas (100 000 reižu mazāks par atomu), un ir zināms, ka elektrona vai neitrīno diametrs ir vēl vismaz 1000 reižu mazāks par šo.
Attēlā 3. attēlā parādīta enerģijas uzskaite (sk. 1. attēlu). Pirms neitrona sabrukšanas visas sistēmas enerģija ir vienāda ar neitrona masas enerģiju (E = mc 2). Neitronu masa ir 0,939565... GeV/c 2.
Elipses norāda, ka tā nav precīza vērtība, taču mums pagaidām nav vajadzīga liela precizitāte. Tas nozīmē, ka neitronu masas enerģija ir
0,939565…GeV/c 2
Kāda būs visas sistēmas enerģija pēc neitrona sabrukšanas? Tā kā enerģija tiek saglabāta un enerģija netiek piegādāta no ārpuses, sistēmas enerģija būs vienāda ar to pašu - 0,939565... GeV!
Bet kā tas tiks izplatīts?
Pirmkārt, mums nebūs mijiedarbības enerģijas. Tas nav acīmredzams, bet tas ir ļoti svarīgi. Kad protons, elektrons un antineutrino izlido, to mijiedarbības enerģija kļūst nenozīmīga.
Otrkārt, katrai daļiņai ir masas enerģija. Cik tur ir?
Protonu masas enerģija ir 0,938272... GeV.
Elektronu masas enerģija ir 0,000511... GeV.
Antineitrīno masas enerģiju var atstāt novārtā, tā ir tik maza.
Un tas ir labi, jo mēs joprojām nezinām neitrīno masu. Mēs zinām, ka tas ir vismaz daudz mazāks par 0,000001 GeV.
Galīgā masa-enerģija ir vienāda ar
(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) GeV = 0,938783… GeV
Kas ir mazāks par neitronu masas enerģiju, ar kuru mēs sākām, par 0,000782... GeV. Pagaidām mēs neredzam, kā tas turpinās. Neitronu masas enerģija netiek pilnībā pārveidota protonu, elektronu un neitrīno masas enerģijā. Pārmērīga enerģija attēlā. 3 ir parādīti dzeltenā krāsā.
Rīsi. 3
Atšķirību var kompensēt, izmantojot kustības enerģiju. Viņa vienmēr ir pozitīva. Mums tikai jāsadala papildu 0,000782... GeV starp daļiņu kustībām, lai sistēmas impulss tiktu saglabāts (ticiet man, tas ir iespējams). Tad enerģija tiks saglabāta, jo neitronu masas enerģija ir pārvērtusies masas enerģijā un protona, elektrona un neitrīno kustības enerģijā.
Es nenorādīju precīzu kustības enerģijas daudzumu, kas tiek pārnests uz protonu, elektronu un neitrīno, jo katrā neitronu sabrukšanas gadījumā enerģija tiks sadalīta atšķirīgi, vienkārši nejauši (tā ir kvantu mehānika). Tikai kopējā kustības enerģija vienmēr būs vienāda, 0,000782... GeV.
Deuterons ir stabils
Atgriezīsimies pie deuterona. Deuterona, tāpat kā ūdeņraža atoma, kopējā enerģija sastāv no tā divu komponentu (protona un neitrona) masas pozitīvās enerģijas, abu komponentu kustības pozitīvās enerģijas un mijiedarbības negatīvās enerģijas. vairāk nekā aptver kustības enerģiju. Turklāt, tāpat kā jebkurai daļiņai vai sistēmai, deuterona masa būs vienāda ar tā kopējo enerģiju (precīzāk, kopējo enerģiju, kuru jūs izmērāt, kad tas nekustas attiecībā pret jums), dalīts ar c2, gaismas ātruma kvadrātu. . Attiecīgi, ja deuterons atrodas miera stāvoklī attiecībā pret jums, pamatojoties uz tā izmērīto masu, kas vienāda ar 1,875612... GeV/c 2, mēs varam teikt, ka tā enerģija ir vienāda arDeiterona masas enerģija = 1,875612… GeV =
protonu masas enerģija + neitronu masas enerģija,
protonu kustības enerģija + neitronu kustības enerģija,
Mijiedarbības enerģija (negatīva un lielāka par kustības enerģiju).
< энергия массы протона + энергия массы нейтрона
0,938272… GeV+ 0,939565… GeV = 1,877837… GeV
Tāpēc deuterona saistīšanas enerģija ir
1,875612… GeV – 1,877837… GeV = -0,002225… GeV
Rīsi. 4
Negatīvā saistīšanās enerģija, tāpat kā ūdeņraža atomam, nozīmē, ka deuterons nevar vienkārši sadalīties neitronos un protonos, kā parādīts attēlā. 4. Tas pārkāptu enerģijas saglabāšanu, kas nosaka, ka sabrukušajai daļiņai jābūt masīvākai par daļiņām, kurās tā sadalās. Kā parādīts attēlā. 5, nav iespējas ietaupīt enerģiju. Neitronam un protonam ir lielāka masas enerģija nekā deuteronam, un nav negatīvas enerģijas avota, kas varētu kompensēt enerģijas deficītu, jo nav mijiedarbības enerģijas starp plaši izvietotiem protoniem un neitroniem, un kustības enerģija nekad nav negatīva. Tas nozīmē, ka process attēlā. 4 nevar notikt.
Rīsi. 5
Neitrons deuteronā nevar sabrukt
Ir palicis viens solis, un tas ir diezgan vienkārši, salīdzinot ar iepriekšējiem. Jautājums ir: kāpēc neitrons nevar sabrukt deuteronā?Pieņemsim, ka tas sabrūk: kas paliek? Tad mums būs divi protoni, elektrons un antineitrīns; skatīt att. 6. Divi protoni atgrūž viens otru – tiem ir pozitīvs elektriskais lādiņš un elektriskais spēks tos atgrūž. Spēcīgais kodolspēks, kas mēģina tos savilkt kopā, nav tik spēcīgs kā starp neitronu un protonu, un abu spēku kopējā ietekme būs atbaidoša. Rezultātā šī mijiedarbība izspiedīs protonus. Tikmēr elektrons un antineitrono arī pametīs darbības vietu.
Rīsi. 6
Kad visas četras daļiņas atrodas tālu viena no otras (kā aptuveni parādīts 6. attēlā, bet iedomājieties, ka tās atradās vēl tālāk), starp tām nebūs nozīmīgas mijiedarbības enerģijas. Sistēmas enerģija sastāvēs tikai no daļiņu masu enerģiju un kustības enerģiju summas. Tā kā kustības enerģija vienmēr ir pozitīva, minimālā enerģija, kas var būt daļiņām, būs vienāda ar to masas enerģiju summu. Bet šī enerģija ir lielāka par deuterona masas enerģiju (7. att.)! Pat divu protonu masas enerģija 1,876544... GeV jau ir lielāka par deuterona masas enerģiju. Un papildu 0,000511 GeV tikai berzē sāli brūcē.
Tāpēc neitrons deuteronā nevar sabrukt; mijiedarbības enerģija, kas tur deuteronu, velk tā masu uz leju - pietiekami zemu, lai neitrona sabrukšana deuteronā pārkāptu enerģijas saglabāšanu!
Rīsi. 7
Citi atomu kodoli
Un tas notiek ar visiem stabilajiem kodoliem dabā. Bet nedomājiet, ka vienmēr, kad jūs apvienojat neitronus un protonus, rezultāts ir stabils kodols! Stabili kodoli ir ārkārtīgi reti.Ja paņemat Z protonus un N neitronus un mēģināsit no tiem izveidot kodolu, tad lielākā daļa Z un N iespēju jums neizdosies. Lielākā daļa šo kodolu sabruks uzreiz un vispār neveidosies. Aptuveni runājot, pievilcības spēks starp Z protoniem un N neitroniem ir spēcīgākais, ja Z ir aptuveni vienāds ar N. No otras puses, protoni atgrūž viens otru elektromagnētiskās mijiedarbības dēļ. Šis spēks palielinās, pieaugot Z. Šo divu efektu konkurence liecina, ka kodols, visticamāk, būs stabils, ja Z ir nedaudz mazāks par N. un jo lielāks Z un N, jo lielākai jābūt starpībai starp Z un N. To var redzēt attēlā. 8. Stabili ir tikai kodoli, kas atzīmēti ar melnu krāsu; tie atrodas poētiski sauktajā "stabilitātes ielejā".
Un kādus kodolus norāda krāsa? Izrādās, ka ir diezgan daudz kodolu, kas joprojām sadalās, bet var dzīvot diezgan ilgu laiku. Šādus objektus mēs bieži saucam par "nestabiliem", bet tos, kas dzīvo pietiekami ilgi, par "metastabiem". Vārdu lietojums ir atkarīgs no konteksta. Neitrons dzīvo 15 minūtes. Ir kodoli, kas dzīvo vairākas milisekundes, dienas, gadu desmitus, tūkstošgades un pat miljardus gadu. Mēs tos saucam par radioaktīviem kodoliem; tās ir bīstamās sekas incidentiem, kas saistīti ar radiāciju vai ieročiem, kā arī instrumentiem, ko cita starpā izmanto dūmu detektoros un vēža apkarošanai.
Ir vairāki veidi, kā šie kodoli var sadalīties, taču daži no tiem sadalās, pārvēršot neitronu par protonu kodola iekšpusē. Mēs to zinām, palielinoties kodola lādiņam un no tā, ka elektrons izlido no tā kopā ar antineitrīnu. Citi var pat sabrukt, pārvēršot protonu par neitronu! Mēs to zinām, jo kodola lādiņš samazinās un no tā izdalās pozitrons (antielektrons). Aprēķināšana, cik ilgi konkrēts kodols var dzīvot un kā tas sadalīsies, ir ļoti sarežģītas kodolfizikas jautājums - es šeit nesniegšu kursu (un es neesmu eksperts).
Rīsi. 8
Pietiek pateikt, ka daļiņu mijiedarbības negatīvā enerģija apvienojumā ar enerģijas saglabāšanu var mainīt visu spēli, padarot neiespējamus noteiktus procesus, kas ir iespējami normālos apstākļos - un otrādi.
Pamatformulas un definīcijas
● Fizikā ir zināmi četri ķermeņu fundamentālās mijiedarbības veidi:
1) Spēcīga jeb kodola mijiedarbība nosaka saiti starp atoma kodola nukleoniem. Nukleoni ir protonu un neitronu vispārīgais nosaukums, no kuriem tiek veidoti visi atomu kodoli;
2) Elektromagnētiskais mijiedarbība pastāv starp daļiņām, kurām ir elektriskais lādiņš. To veic, apmainoties ar elektromagnētiskā starojuma kvantiem – fotoniem;
3) Vāja mijiedarbība notiek starp elementārdaļiņām, tā ir atbildīga par to sabrukšanu un tiek atklāta procesos, kas saistīti ar neitrīno emisiju vai absorbciju;
4) Gravitācijas mijiedarbība pastāv starp jebkuriem ķermeņiem un izpaužas to savstarpējā pievilkšanā ar spēku, kas atkarīgs no ķermeņu masām un attāluma starp tiem.
● Atomu kodolu veido protoni un neitroni, ko sauc par nukleoniem. Protonam (p) ir pozitīvs lādiņš, kas vienāds ar elektrona lādiņu, neitronam (n) ir neitrāla daļiņa. Kopējo nukleonu skaitu kodolā sauc par masas skaitli
Atomu kodolu raksturo lādiņa skaitlis Z, kas ir vienāds ar protonu skaitu kodolā un sakrīt ar elementa atomu skaitu Mendeļejeva periodiskajā elementu tabulā. Kodols ir apzīmēts ar tādu pašu simbolu kā neitrālais atoms: A Z X, kur X ir ķīmiskā elementa simbols; Z – atomskaitlis (protonu skaits kodolā); A ir masas skaitlis (nukleonu skaits kodolā). Kodolreakcijās tiek saglabāts kopējais nukleonu skaits un elektriskais lādiņš.
● Pievilcību starp nukleoniem sauc par spēcīgo (vai kodolspēku). Spēcīgā mijiedarbība ir īslaicīga(~10–15 m). Tajā pašā laikā Kulona atgrūšanas spēki darbojas starp protoniem, kuriem ir pozitīvs lādiņš, t.i., elektromagnētiskie spēki, kas ir liela attāluma. Ja tiek izjaukts līdzsvars starp protonu un neitronu skaitu, kodoli kļūst nestabili. Par plaušām
Un raksturīgi vidējie kodoli beta sabrukšana, smagajiem - alfa sabrukšana. Kad serde ir uzlādēta Z >
● Radioaktīvā sabrukšana izstaro trīs veidu starojumu:
α-radiācija – hēlija atomu kodolu plūsma (4 2 He);
β-starojums – elektronu plūsma (–1 0 e);
γ-starojums ir elektromagnētiskā starojuma kvantu plūsma, ko izstaro atomu kodoli, pārejot no ierosinātā stāvokļa uz pamatstāvokli.
Ar vienu α-sabrukšanu izotopa masas skaitlis A samazinās par 4, bet lādiņa skaitlis Z samazinās par 2. Ar vienu β - sabrukšanu masa
skaitlis A nemainās, un lādiņa skaitlis Z palielinās par 1. Ar γ starojumu masas skaitlis A un lādiņa skaitlis Z nemainās.
● Elementārās daļiņas tiek grupētas trīs grupās: fotoni, leptoni un hadroni.
3. u, d, s, c, b, t – un tiem atbilstošie seši antikvarki. Kvarkiem ir pusvesela skaitļa rotācija, un tiem ir daļējs elektriskais lādiņš.
Norādiet gravitācijas mijiedarbībai atbilstošo kvantu shēmu.
Iespējamās atbildes:
Fizikā ir četri fundamentālās mijiedarbības veidi starp ķermeņiem. Apskatīsim tos, jo intensitāte samazinās.
Spēcīgā jeb kodola mijiedarbība nosaka saiti starp atoma kodola nukleoniem. Nukleoni ir protonu un neitronu vispārējais nosaukums, no kuriem tiek veidoti visi atomu kodoli. Spēcīgās mijiedarbības nesēji ir gluoni – elektriski neitrālas daļiņas, kuru spins vienāds ar vienotību un nulles miera masu.
Elektromagnētiskais mijiedarbība pastāv starp daļiņām, kurām ir elektriskais lādiņš. To veic, apmainoties ar elektromagnētiskā starojuma kvantiem - fotoniem.
Vāja mijiedarbība starp elementārdaļiņām ir atbildīga par to sabrukšanu, piemēram, neitronu sabrukšanu un jo īpaši noved pie atomu kodolu beta sabrukšanas. Vāju nesēji
mijiedarbība ir vāja lauka kvanti - starpbozoni W + , W
– , Z 0.
Gravitācijas mijiedarbība pastāv starp jebkuriem ķermeņiem un izpaužas to savstarpējā pievilcībā ar spēku, kas ir atkarīgs no ķermeņu masām un attāluma starp tiem. Gravitācijas mijiedarbība notiek gravitonu apmaiņas dēļ. "Gravitona" teorētiskā koncepcija ir gravitācijas lauka kvants.
Atbilde uz testa jautājumu 8-1 atbilst 4. varianta attēlam. Atbilde: 4. variants.
Uzdevums C8-1 patstāvīgam risinājumam
Electroweak mijiedarbība atbilst ķēžu apvienošanai...
Iespējamās atbildes:
Piedaloties elektromagnētiskās mijiedarbības procesā...
Iespējamās atbildes:
1) neitrīno; 2) neitroni; 3) fotoni.
Fotoni ir elektromagnētiskā starojuma kvanti, tāpēc tie piedalās elektromagnētiskās mijiedarbības procesā.
Atbilde: 3. variants.
Uzdevums C8-2 patstāvīgam risinājumam
Spēcīgas mijiedarbības process ietver...
Iespējamās atbildes:
1) elektroni; 2) nukleoni; 3) fotoni.
Uzdevums C8-3 patstāvīgam risinājumam
Neitronu sabrukšana ir izskaidrojama ar eksistenci...
Iespējamās atbildes:
1) vāja mijiedarbība; 2) spēcīga mijiedarbība;
3) elektromagnētiskā mijiedarbība.
Uzdevums C8-4 patstāvīgam risinājumam
Piedaloties gravitācijas mijiedarbības procesā...
Iespējamās atbildes:
1) tikai nukleoni; 2) visas elementārdaļiņas;
3) tikai daļiņas ar nulles miera masu.
Uzdevums C8-5 patstāvīgam risinājumam
Viņi nepiedalās spēcīgas mijiedarbības procesā...
Iespējamās atbildes:
1) fotoni; 2) protoni; 3) neitroni.
α-starojums ir plūsma...
Iespējamās atbildes:
1) atomu kodolu izstarotā elektromagnētiskā starojuma kvanti, pārejot no ierosinātā stāvokļa uz pamatstāvokli;
2) elektroni; 3) protoni; 4) hēlija atomu kodoli; 5) pozitroni.
Radioaktīvā sabrukšana izstaro trīs veidu starojumu:
α-radiācija – hēlija atomu kodolu plūsma;
Radiācija – elektronu plūsma;
Elektromagnētiskā starojuma kvantu γ plūsma, ko izstaro atomu kodoli, pārejot no ierosinātā stāvokļa uz pamatstāvokli.
Tādējādi α-starojums ir hēlija atomu kodolu plūsma. Atbilde: 4. variants.
Uzdevums C8-6 patstāvīgam risinājumam
β + -starojums ir plūsma... Skat. atbilžu varianti pārbaudīt 8-3.
Uzdevums C8-7 patstāvīgam risinājumam
β - starojums ir plūsma... Skat. atbilžu varianti pārbaudīt 8-3.
Attēlā 138 parāda β-aktīvo kodolu eksistences reģionu. Taisnā līnija atbilst Z β līdzsvara vērtībām, kas atbilst β -sta-
Rīsi. 138
spēcīgi kodoli. Šeit Z ir elementa atomu skaits, un N ir neitronu skaits kodolā. Z zonā< Z β …
Iespējamās atbildes:
1) β – -aktīvs;
2) β – -aktīvs;
3) Kodolos ir neitronu pārpalikums unβ + -aktīvs;
4) Kodolos ir protonu pārpalikums unβ + -aktīvs.
Atomu kodoli sastāv no nukleoniem (parastais protonu un neitronu nosaukums). Pievilcību starp nukleoniem sauc par spēcīgo (vai kodolspēku).
Spēcīgā mijiedarbība ir neliela diapazona (~10–15 m). Tajā pašā laikā Kulona atgrūšanas spēki darbojas starp protoniem, kuriem ir pozitīvs lādiņš, t.i., elektromagnētiskie spēki, kas ir liela attāluma. Ja tiek izjaukts līdzsvars starp protonu un neitronu skaitu, kodoli kļūst nestabili. Vieglajiem un vidējiem kodoliem raksturīga β-sabrukšana, bet smagajiem kodoliem α-sabrukšana. Kad kodollādiņš Z > 82, nav stabilu kodolu.
Attēlā 138 apgabals Z > Z β virs taisnes, kas atbilst Z β līdzsvara vērtībām, satur kodolus, kuros protonu skaits
dominē pār neitronu skaitu. Šiem kodoliem atgrūšanas spēki starp protoniem pārsniedz kodola pievilkšanas spēkus, un kodoli sabrūk, izdalot pozitronu β +. Šajā gadījumā protonu skaits samazinās, un neitronu skaits palielinās.
Z zonā< Z β ниже прямой стабильности ядер число нейтронов превышает число протонов, и ядра распадаются с испусканием электрона β – .
Tādējādi reģionā Z< Z β ядра обладают избытком нейтронов и β – - активны, что соответствует варианту 2.
Atbilde: 2. variants.
Uzdevums C8-8 patstāvīgam risinājumam
Dažādu elementu izotopiem nosaka atbilstošo nukleonu β aktivitāti un pārpalikumu, ja notiek dažādu elementu izotopu sabrukšana atbilstoši reakcijai:
11 6 C → β + + 11 5 V; oglekļa izotopa 11 6 C kodoliem ir...
Atbilžu iespējas tāds pats kā testā 8-4.
Uzdevums C8-9 patstāvīgam risinājumam
14 6 C → β – + 14 7 N; oglekļa izotopa 14 6 C kodoliem ir...
Atbilžu iespējas tāds pats kā testā 8-4.
Uzdevums C8-10 patstāvīgam risinājumam
13 7 N → β + + 13 6 C; slāpekļa izotopa 13 7 N kodoliem ir...
Atbilžu iespējas tāds pats kā testā 8-4.
Uzdevums C8-11 patstāvīgam risinājumam
40 19 K → β – + 40 20 Ca; kālija izotopa 40 19 K kodoliem ir...
Atbilžu iespējas tāds pats kā testā 8-4.
Attēlā 139. attēlā parādīta nukleona β – -sabrukšanas kvarku diagramma.
Iespējamās atbildes: |
|
1) р → р + e– + νHe; |
2) p → n + e– + νHe; |
3) n → n + e– + νRe ; |
4) n → p + e– + νRe. |
Elementārās daļiņas ir apvienotas trīs grupās: fotoni, leptoni un hadroni.
1. Fotoni – šī grupa sastāv tikai no vienas daļiņas – elektromagnētiskā starojuma kvanta, ko apzīmē ar burtu γ.
2. Leptoni (no grieķu vārda "leptos" - gaisma). Uz leptoniem
ietver, piemēram, tādas daļiņas kā elektrons e – ar lādiņu Q e = –1 un spin s e = 1/2, kā arī neitrālu daļiņu neitrīno ν ar nulles lādiņu.
un spin s ν = 1/2. Šīs daļiņas atbilst antidaļiņām: pozitrons e + un antineutrino νR.
3. Hadroni (no grieķu vārda "adros" - lieli, spēcīgi). Hadroni ietver p - protonu, p - neitronu, Λ - hiperonu, π - pionus un K - kaonus. Hadronu grupā iekļautās daļiņas sastāv no kvarkiem. Pašlaik ir konstatēta sešu kvarku šķirņu esamība: u, d, s, c, b, t – un
to attiecīgie seši antikvarki. Kvarkiem ir pusvesela skaitļa rotācija, un tiem ir daļējs elektriskais lādiņš. Zemāk ir kvarku nosaukums, to apzīmējums, frakcionētais elektriskais lādiņš ir norādīts iekavās:
− Antikvarki tiek apzīmēti ar burtu ar vilni, un tiem ir pretējās zīmes elektriskie lādiņi. Visi hadroni sastāv no šiem kvarkiem un antikvarkiem.
No nukleona β sabrukšanas kvarku diagrammas, kas parādīta attēlā. 139, no tā izriet, ka diagrammas kreisajā pusē esošā kvarku kopa (u d d) atbilst neitronam (n), jo tā lādiņš, kas aprēķināts, pamatojoties uz kvarku lādiņu, Q n = 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0. Iestatiet kvarkus (d u u ) diagrammas labajā pusē, kas aprēķināti, pamatojoties uz kvarku lādiņu, atbilst protonam (p), jo tā
Q p = –1/3 + 2/3 + 2/3 = 1. |
Slīpas līnijas |
uz kvarku diagrammas |
|||
parādīt, ka reakcijas rezultātā izdalās elektrons e –, kura lādiņš ir Q e |
|||||
un antineutrino νRe ar nulles lādiņu Q νR = 0. |
|||||
Tādējādi reakcijas produktu kopējais lādiņš ir vienāds ar |
|||||
Q p + |
Q e + |
Q νR = +1–1 + 0 = 0, |
i., tas tiek izpildīts |
saglabāšanas likums |
|
Līdz ar to β sabrukšanas kvarku diagramma atbilst reakcijai: n → p +
e – + νRe.
Atbilde: 4. variants.
Apskatīsim citu veidu, kā atrisināt 8.–5. testu.
Analizēsim atbilžu variantus no elektriskā lādiņa nezūdamības likuma viedokļa:
1) р → р + e – + νRe ; Q p = 1, Q e = –1, Q νR = 0, t.i., 1 = 1 – 1 + 0. Ir skaidrs, ka šai reakcijai lādiņa nezūdamības likums nepastāv, jo 1 ≠ 0.
Tāpēc šāda reakcija nav iespējama;
2) р → n + e – + νRe ; Q p = 1, Q n = 0, Q e = –1, Q νR = 0, t.i., 1 = 0 – 1 + 0.
Ir skaidrs, ka arī lādiņa nezūdamības likums šai reakcijai nav izpildīts;
3) n → n + e – + νRe ; Q n = 0, Q e = –1, Q νR = 0, t.i., 0 = 0 – 1 + 0. Reakcija arī nav iespējama;
4) n → p + e – + νRe. Šīs reakcijas lādiņa nezūdamības likums ir izpildīts, jo 0 = 1 – 1 + 0. Līdz ar to šāda reakcija ir iespējama.
Atbilde: 4. variants.
Attēlā 140. attēlā parādīta Λ-hiperona sabrukšanas kvarku diagramma.
Šī diagramma atbilst reakcijai...
Iespējamās atbildes:
1) Λº → n + π + ; 2) Λº → n + π – ; 3) Λº → p + π – ; 4) Λº → p + π º.
Elementārās daļiņas sastāv no kvarkiem. Aprēķināsim katras reakcijā iesaistītās daļiņas lādiņu. Lai to izdarītu, izmantojot 8-5 testa risinājumu, mēs pierakstām kvarku nosaukumus un apzīmējumus un iekavās norādām atbilstošo lādiņu:
− Augšējais u (+2/3) un apakšējais d (-1/3);
− Enchanted c (+2/3) un dīvaini s (–1/3);
− Patiesais t (+2/3) un skaistais b (–1/3).
Antikvarkus apzīmē ar burtu ar vilni, un tiem ir pretējas zīmes elektriskie lādiņi un dažas citas īpašības.
No Λ-hiperona sabrukšanas kvarku diagrammas, kas parādīta attēlā. 140, no tā izriet, ka kvarku kopa (u d s) diagrammas kreisajā pusē atbilst Λ-hiperonam. Hiperona lādiņš, kas aprēķināts, pamatojoties uz kvarku lādiņu, ir vienāds ar: Q Λ = 2/3 –
1/3 – 1/3 = 0.
Kvarku kopa (d u u ) diagrammas labajā pusē atbilst p-protonam, jo tā lādiņš Q p = –1/3 + 2/3 + 2/3 = 1. Kvarku kopa (d ũ ) atbilst daļiņai ar lādiņu Q π = –1/3 – 2/3 = –1, t.i., π – mezons. Tādējādi Λ-hiperona sabrukšanas kvarku diagramma atbilst reakcijai: Λº → p + π – .
Atbilde: 3. variants.
Papildu uzdevums
Pārbaudi pats, izmantojot elektriskā lādiņa nezūdamības likumu, 8.-6. testa atbilžu variantos rakstīto reakciju iespējamību un izvēlies pareizo atbildi.
Uzdevums C8-12 patstāvīgam risinājumam
Attēlā 141. attēlā parādīta kvarku diagramma µ –-mūona uztveršanai ar nukleonu.
Šī diagramma atbilst reakcijai...
Iespējamās atbildes: |
|||||||||||
1) µ – + p → |
+ ν µ ; |
2) µ – + n → |
+ ν µ ; |
||||||||
4) µ |
|||||||||||
3) µ + p → n + ν µ ; |
N → n + ν µ . |
||||||||||
Uzdevums C8-13 patstāvīgam risinājumam
Attēlā 142 parāda dīvainu daļiņu dzimšanas kvarku diagrammu. Šī diagramma atbilst reakcijai...
Iespējamās atbildes:
Σ ; |
||||||||||
P → K |
||||||||||
2) n + π + → K+ + Σ + ; |
||||||||||
3) π + + p → K+ |
+ Σ + ; |
|||||||||
e + + p → K+ + Σ + . |
||||||||||
Uzdevums C8-14 neatkarīgiem |
||||||||||
Attēlā 143 parāda kvarku |
||||||||||
Kº-mezona sabrukšanas diagramma. Šī diagramma |
||||||||||
atbilst reakcijai... |
||||||||||
Iespējamās atbildes: |
||||||||||
1) Kº→ π º + π º; 2) Kº → π + + π ¯; |
||||||||||
3) Kº→ e + + e¯; 4) Кº → n + n. |
||||||||||
Uzdevums S8-15 neatkarīgiem |
||||||||||
Attēlā 144 parāda kvarku |
||||||||||
Σ+-hiperona sabrukšanas diagramma. Šis |
||||||||||
Diagramma atbilst reakcijai... |
||||||||||
Iespējamās atbildes: |
||||||||||
1) Σ+ → n + π + ; |
2) Σ+ → p + π – ; |
|||||||||
3) Σ+ → p + π º; |
4) Σ+ → n + π º. |
|||||||||
Attiecībā uz nukleoniem ir patiesi šādi apgalvojumi:
Iespējamās atbildes:
1) Abi nukleoni ir neitrāli;
2) Protona masa ir lielāka par neitrona masu;
3) Nukleonu spini ir vienādi;
4) Abiem nukleoniem ir nulles magnētiskie momenti.
Atomu kodoli sastāv no protoniem un neitroniem, ko sauc par nukleoniem. Protona masa m p = 1,00759 amu, spins s p = 1/2, pozitīvs elektriskais lādiņš ir vienāds ar vienu elementāro lādiņu Q P = e un magnētiskais moments µ p = +2,79 µ I, kur µ I = 5 0,0508 · 10 –27 J/T – kodolmagnetons. Neitronam ir masa m n = 1,00879 amu, spin s n = 1/2, elektriskais lādiņš ir vienāds ar nulli un magnētiskais moments µ n = –1,91 µR.
Tāpēc pareizās atbildes ir šādi apgalvojumi:
3) nuklonu spini ir vienādi;
4) abiem nukleoniem ir nulles magnētiskie momenti. Atbilde: 3. un 4. variants.
Uzdevums C8-16 patstāvīgam risinājumam
Attiecībā uz nukleoniem šādi apgalvojumi ir patiesi.
Iespējamās atbildes:
1) Abi nukleoni ir stabili brīvā stāvoklī. Protona un antiprotona masas ir vienādas;
2) Nuklonu masas ir vienādas. Abiem nukleoniem ir antidaļiņas;
3) Nukleonu un antinukleonu spini ir vienādi. Neitrona un antineitrona lādiņi ir nulle;
4) Neitrona masa ir lielāka par antineitrona masu. Antinukleonu magnētiskie momenti ir nulle.
Cik α- un β-sabrukšanas reizēm jānotiek, lai urāns 238 92 U pārvērstos par stabilu svina 206 82 Pb izotopu?
Iespējamās atbildes:
2) 8 α-sairšana un 6 β – -sabrukšana; 4) 10 α-sairīšanās un 4 β – -sabrukšana.
Urāna izotopa 238 92 U sabrukšanas laikā notiek vairākas radioaktīvas transformācijas. Šajā gadījumā tiek emitētas α-daļiņas (hēlija atoma kodoli 4 2 He), β – -
daļiņas (elektroni) un γ stari. Masas skaitlis A un lādiņa skaitlis Z mainās α- un β – sabrukšanas dēļ.
Ar vienu α-sabrukšanu izotopa masas skaitlis A samazinās par 4, un
lādiņa skaitlis Z samazinās par 2. Ar vienu β – -sabrukšanu masas skaitlis A nemainās, bet lādiņa skaitlis Z palielinās par 1.
Tad sadalīšanās reakciju var uzrakstīt šādi:
238 92 U → X 2 4 α + Y –1 0 e + 206 82 Pb.
Jāsaglabā kopējais nuklonu skaits un kopējais elektriskais lādiņš. Pēc tam, lai noteiktu X un Y samazinājuma skaitu, mēs izveidosim vienādojumu sistēmu.
Masas skaitlim A: 238 = 4 X + 206.
Tātad: X = (238–206) / 4 = 8.
Uzlādes numuram Z: 92 = 2 X + (–1) Y + 82.
Tātad: Y = (82–92 + 2 8) = 6.
Tāpēc, kad urāns 238 92 U tiek pārveidots par stabilu svina izotopu
206 82 Pb Jānotiek 8 α-sabrukšana un 6 β – -sabrukšana. Atbilde: 2. variants.
Uzdevums C8-17 patstāvīgam risinājumam
Cik α- un β-sairšanās jānotiek torijam 232 90 Th
pārvērtās par svina izotopu 208 82 Pb? |
|||
Iespējamās atbildes: |
|||
1) 6 α-sairšana un 8 β – sadalīšanās; |
2) 8 α-sairīšanās un 6 |
β– |
Sabrukšana; |
3) 9 α-sairīšanās un 5 β – sadalīšanās; |
4) 6 α-sairīšanās un 4 |
β– |
Sabrukšana. |
Uzdevums C8-18 patstāvīgam risinājumam
Cik α- un β-sabrukšanas reizēm jānotiek, lai urāns 235 92 U pārveidotos
svina izotopā 207 82 Pb ? |
|||
Iespējamās atbildes: |
|||
1) 6 α-sairšana un 8 β – sadalīšanās; |
2) 8 α-sairīšanās un 6 |
β– |
Sabrukšana; |
3) 9 α-sairīšanās un 5 β – sadalīšanās; |
4) 7 α-sairīšanās un 4 |
β– |
Sabrukšana. |
Nezināms radioaktīvs ķīmiskais elements spontāni sadalās saskaņā ar shēmu: X → 36 91 Kr + 142 56 Ba + 3 n. Šī elementa kodols satur...
Iespējamās atbildes: |
|
1) 92 protoni un 144 neitroni; |
2) 94 protoni un 142 neitroni; |
3) 94 protoni un 144 neitroni; |
4) 92 protoni un 142 neitroni. |
Atomu kodols sastāv no protoniem un neitroniem, ko sauc par nukleoniem. Protonam (p) ir pozitīvs lādiņš, kas vienāds ar elektrona lādiņu, neitronam (n) ir neitrāla daļiņa. Kopējo nukleonu skaitu kodolā sauc par masas skaitli
Atomu kodolu raksturo lādiņa skaitlis Z, kas ir vienāds ar protonu skaitu kodolā un sakrīt ar elementa atomu skaitu Mendeļejeva periodiskajā elementu tabulā. Kodols ir apzīmēts ar to pašu simbolu kā
neitrāls atoms: Z A X, kur X ir ķīmiskā elementa simbols; Z – atomu
skaits (protonu skaits kodolā); A ir masas skaitlis (nukleonu skaits kodolā).
Kodolreakcijās tiek saglabāts kopējais nukleonu skaits un elektriskais lādiņš. Nezināma ķīmiskā elementa kodola lādiņš ir vienāds ar reakcijas produktu elementu kodolu kopējo lādiņu: 36 + 56 = 92, tāpēc protonu skaits nezināma ķīmiskā elementa kodolā ir: Z = 92. Līdzīgi nezināma ķīmiskā elementa masas skaitlis ir: A = 91 + 142 + 3 = 236 , un neitronu skaits kodolā ir vienāds ar: A – Z = 236 – 92 = 144. Līdz ar to kodols Nezināma ķīmiskā elementa sastāvā ir 92 protoni un 144 neitroni.
Atbilde: 1. variants.
Kāda radioaktīvo atomu daļa sadalīsies pēc laika intervāla, kas vienāds ar diviem pussabrukšanas periodiem?
Iespējamās atbildes:
1) 25%; 2) 75%; 3) visi atomi sadalīsies; 4) 90%; 5) 50%.
Radioaktīvās sabrukšanas likumam ir šāda forma: N = N 0 · e – λ · t , kur N 0 ir sākotnējais nesabrukušo kodolu skaits brīdī t = 0; N ir nesabrukušo kodolu skaits laikā t; λ ir radioaktīvās sabrukšanas konstante. Šī formula parāda, ka nesabrukušo kodolu skaits laika gaitā samazinās. Pussabrukšanas periods T 1/2 ir laiks, kurā sākotnējais radioaktīvo kodolu skaits vidēji tiek samazināts uz pusi. Tad N 0 /2 = N 0 · e – λ · T 1/2. Kur λ = ln2/Т 1/2 =
0,693/T 1/2.
N0. Laikā t 2 = 2T 1/2 nesabrukušo kodolu skaits ir vienāds ar:
Līdz ar to pēc laika intervāla, kas vienāds ar diviem pussabrukšanas periodiem, sabrukušo radioaktīvo atomu īpatsvars būs vienāds ar:
1 – N 2 /N 0 = 1 – 0,25 = 0,75 = 75%.
Atbilde: 2. variants.
Uzdevums C8-19 patstāvīgam risinājumam
Kura radioaktīvo atomu daļa nesadalīsies pēc laika intervāla, kas vienāds ar trīs pussabrukšanas periodiem?
Iespējamās atbildes:
1) 25 %; 2) 75 %; 3) 6,25 %; 4) 12,5 %; 5) 50 %.
Uzdevums C8-20 patstāvīgam risinājumam
Kāda brīvo neitronu daļa sadalīsies pēc 1 stundas, ja pussabrukšanas periods ir 10 minūtes?
Iespējamās atbildes:
1) 98,5 %; 2) 75,5 %; 3) 10,5 %; 4) 1,5 %.
Uzdevums C8-21 patstāvīgam risinājumam
Ir divu elementu maisījums: oglekļa stabilais izotops 12 6 C 2 molu daudzumā un radioaktīvais izotops 11 6 C 4 molu daudzumā. Pēc laika intervāla, kas vienāds ar oglekļa pussabrukšanas periodu 11 6 C, paliks ...
Iespējamās atbildes:
12 6 C nekā |
116 C; |
11 6 C nekā |
126 C; |
||||||
3) tāda pati summa |
116 C un |
126 C. |
|||||||
Uzdevums C8-22 patstāvīgam risinājumam |
|||||||||
Radioaktīvais izotops |
11 6 C sadalās reakcijas rezultātā |
11 6 C → β + + |
115 V. |
||||||
Kāds būs atomu procentuālais daudzums pēc laika perioda, kas vienāds ar izotopa pussabrukšanas periodu 11 6 C?
Iespējamās atbildes:
11 6 C un 80% |
115 V; |
11 6 C un 75% |
115 V; |
||
11 6 C un 50% |
115 V; |
11 6 C un 25% |
115 V. |
Neitronu sabrukšanas reakcija notiek pēc shēmas: p → p + e – + v ɶ. Antineitrīnu klātbūtne šajā reakcijā ir saistīta ar prasībām
saglabāšanas likums...
Iespējamās atbildes:
1) elektriskais lādiņš; 2) leptona lādiņš; 3) enerģija.
Elektriskā lādiņa nezūdamības likums neprasa antineitrīna klātbūtni, jo tā ir neitrāla daļiņa un tās klātbūtne vai neesamība neietekmē kopējo lādiņu. Enerģijas nezūdamības likums arī neprasa
konkrētas daļiņas klātbūtne, jo neitrona miera masa pārsniedz elektrona un protona kopējo miera masu. Dotā masu starpība (∆m ≈ 1,5 m e) atbilst noteiktai enerģijai, t.i., enerģētiski ir pieļaujama brīvā neitrona sabrukšanas reakcija. Elementārdaļiņu sabrukšanas laikā ir jāievēro arī bariona un leptona lādiņa saglabāšanās likumi.
Bariona lādiņš tiek saglabāts: B n = 1, B p = 1, B e = 0, t.i., 1 = 1 + 0.
Rezultātā lai saglabātu leptona lādiņu (L n = 0, L p = 0, L e = 1)
sabrukšanas jābūt |
rodas |
ar L = –1. |
Tāda daļiņa ir |
||||
pret neitrīno: |
L n = L p + L e + L νH vai |
0 = 0 + 1 – 1 = 0, |
i., leptona lādiņš |
||||
ir saglabāts. |
|||||||
Tādējādi antineitrīnu klātbūtne šajā reakcijā ir saistīta ar |
|||||||
leptona lādiņa saglabāšanas likuma prasības. |
|||||||
Atbilde: 2. variants. |
|||||||
Uzdevums C8-23 patstāvīgam risinājumam |
|||||||
Elektronu sabrukšanas reakcija saskaņā ar shēmu: |
e− |
→ γ + γ + v |
neiespējami |
||||
Saglabāšanas likuma neievērošanas dēļ... |
|||||||
Iespējamās atbildes: |
|||||||
1) elektriskais lādiņš; |
2) leptona lādiņš; |
3) enerģija. |
|||||
Protonu sabrukšanas reakcija pēc shēmas: p → e + + ν + v ɶ nav iespējama. Tās ir dabas aizsardzības likuma neievērošanas sekas...
Iespējamās atbildes:
1) leptona lādiņš; 2) griešanās leņķiskais impulss;
3) elektriskais lādiņš.
Protons ir barions (no grieķu vārda "baris" — smags), un pozitrons, neitrīno un antineitrono ir leptoni (vieglas elementārdaļiņas).
Iesniegsim dažu elementārdaļiņu raksturlielumu vērtības.
Daļiņu apzīmējums |
|||||||||||
Elektriskais lādiņš Q |
|||||||||||
Spin, vienībās ħ S |
|||||||||||
Leptona lādiņš L |
|||||||||||
Bariona lādiņš B |
|||||||||||
Pārbaudīsim leptona lādiņa saglabāšanas likuma iespējamību: L p = 0, L e - =
1, L ν = 1, L νR = –1. Tad mēs iegūstam: 0 = 1 + 1 – 1 = 1, t.i., leptona lādiņš nav saglabājies. Reakcija nav iespējama saglabāšanas likuma neievērošanas dēļ
leptona lādiņš.
Atbilde: 1. variants.
Uzdevums S8-24 neatkarīgam risinājumam
Protonu sabrukšanas reakcija pēc shēmas p → e + + ν + nav iespējama. Tās ir dabas aizsardzības likuma neievērošanas sekas...
Iespējamās atbildes:
1) griešanās leņķiskais impulss; 2) elektriskais lādiņš;
3) bariona lādiņš.
Nezināmas daļiņas X mijiedarbība ar protonu ūdeņraža burbuļa kamerā notiek pēc šādas shēmas:
Λº → p + π –
X+p
Kº → π + + π –
Ja π-mezona spins ir S = 0, tad krītošās daļiņas lādiņš un spins būs vienādi...
Iespējamās atbildes:
1)q< 0; S = ; 2) q >0; S = ; 3) q > 0; S = 0; 4) q< 0; S = 0.
Kad nezināma daļiņa X mijiedarbojas ar protonu p, kopā ar citiem saglabāšanas likumiem ir jāievēro lādiņa un leņķiskā impulsa saglabāšanas likumi. Saskaņā ar lādiņa nezūdamības likumu daļiņu kopējam lādiņam jābūt vienādam ar reakcijas produktu kopējo lādiņu pēc mijiedarbības. Pēc mijiedarbības tiek iegūtas divas pozitīvi lādētas daļiņas: q p = +1 un q π + = 1, kā arī divas identiskas negatīvi lādētas daļiņas ar lādiņu q π – = –1.
Mēs iegūstam q X + 1 = +1 – 1 + 1 – 1 = 0, |
q X = –1, t.i., q X< 0. Согласно закону |
|||||
leņķiskā impulsa saglabāšana, S p + S X = S P + S π – + S π + + S π – . |
||||||
Tā kā iekšējais leņķiskais impulss, t.i., protonu spins ir vienāds ar S p = |
||||||
π mezona spins ir nulle, tad |
S X = |
|||||
| X būs... | ||||||
Eksperimentāli ir atklāts jauns neitronu sabrukšanas veids - starojuma beta sabrukšana. Šis atklājums bija iespējams, izstrādājot zemas enerģijas daļiņu detektorus.
Lielākajai daļai mūsdienās zināmo elementārdaļiņu dzīve ir spilgta un īslaicīga. Dzimuši protonu vai elektronu sadursmes reakcijā kopā ar dažādiem brāļiem, viņiem izdodas nolidot mikroskopisku attālumu un uzreiz sadalīties citās daļiņās. To sabrukšanas galīgie stāvokļi (kā saka fiziķi, sabrukšanas kanāliem) var būt ļoti daudzveidīgs; galvenais, lai netiek pārkāpti fizikas pamatlikumi (lādiņa, enerģijas nezūdamības likumi utt.). Dažām daļiņām jau ir zināmi vairāk nekā simts šādu sabrukšanas kanālu.
Tikai neliels skaits daļiņu dzīvo pietiekami ilgi, lai nonāktu, tā sakot, tiešā kontaktā ar ārpasauli. Dzīves laikā viņiem izdodas nolidot ievērojamu attālumu: centimetrus, metrus un ļoti retos gadījumos arī kilometrus, taču tie, pēc cilvēka standartiem, sadalās ļoti ātri – dažās sekundes daļās.
Un tagad, pēc vairāk nekā pusgadsimta ilgas šīs daļiņas izpētes, šķiet, ka fiziķi ir spējuši atklāt otrais neitronu sabrukšanas veids. Krievijas, Beļģijas un Vācijas pētnieku grupas preprintā nucl-ex/0512001 ziņots par veiksmīgu novērojumu. starojuma beta sabrukšana neitronu, t.i., tā sadalīšanos protonā, elektronā, antineitrīnā un fotonu. Šādu sabrukumu bija iespējams reģistrēt, izmantojot trīskāršās sakritības paņēmienu: elektrona un fotona vienlaicīgu emisiju un protona saņemtā atsitiena impulsa mērījumu.
Vispārīgi runājot, šis atklājums teorētiķiem nav pārsteigums. Ir zināms, ka visu veidu reakcijās ar lādētām daļiņām (un protons un elektrons ir elektriski uzlādēti) fotoni var tikt emitēti arī "kā slodze" uz atlikušajām daļiņām. Taču šīs sabrukšanas novērošana neitrona gadījumā izrādījās ļoti grūts uzdevums no tehniskā viedokļa. Galu galā visām izplūstošajām daļiņām ir ļoti zema enerģija, un tāpēc tās ir grūti “noķert” ar detektoriem.
Iepriekšējais tās pašas grupas mēģinājums 2002. gadā atklāt šo sabrukumu beidzās ar neveiksmi: reģistrācijas kontrolierīces precizitāte nebija pietiekama, lai to atklātu. Tagad, pēc detektoru modernizācijas un datu apstrādes procedūras uzlabošanas, pētnieki beidzot atklāja, ka vidēji vienā no trīssimt gadījumiem brīvie neitroni dod priekšroku sabrukšanai, izstarojot fotonu.
Eksperimenta precizitāte joprojām ir zema, un var gadīties (lai gan tā iespējamība ir maza), ka viss atklātais “signāls” ir tikai fona procesu nejaušas pārklāšanās rezultāts. Tomēr autori atzīmē, ka ir iespējama turpmāka tehnikas pilnveidošana, kas ļaus sasniegt 10% precizitāti šīs sabrukšanas varbūtības mērīšanā.
Cik mums zināms, atomu pasaulē pastāv trīs svarīgi saglabāšanas likumi, kas ir spēkā gan ikdienā, gan plašajā Visumā, kas mūs ieskauj.
Tie ietver impulsa saglabāšanas, leņķiskā impulsa saglabāšanas un enerģijas saglabāšanas likumus.
Visi trīs likumi nosaka attiecības starp masu un ātrumu - mums labi zināmiem lielumiem. Taču uz atomu un to veidojošajām daļiņām, izrādās, attiecas arī ceturtais saglabāšanas likums, kas attiecas uz mums pilnīgi nepazīstamu parādību. Jau 600. gadā pirms mūsu ēras, pateicoties grieķu filozofa Milētas Talesa pētījumiem, bija zināms, ka rīvētiem fosilajiem sveķiem – dzintaram – piemīt gaismas objektu pievilkšanas īpašība. Tagad pieņemts teikt, ka berzēts dzintars saņem elektriskais lādiņš vai "elektrificēts". Vārds "elektrība" cēlies no grieķu elektron - dzintara.
1773. gadā franču fiziķis Šarls Fransuā Dufejs demonstrēja divu dažādu veidu elektrisko lādiņu eksistenci, no kuriem viens atrodams uz noberzta dzintara un otrs uz noberzta stikla. Atšķirību starp šiem diviem elektriskajiem lādiņiem var redzēt nākamajā eksperimentā.
Pakārsim divus mazus korķa gabaliņus blakus uz zīda diegiem. Pieskarsimies katram no tiem ar elektriski lādēta dzintara gabaliņu, un daļa no elektriskā lādiņa ieplūdīs katrā no korķa gabaliņiem. Zīda pavedieni, no kuriem tie ir piekārti, vairs nekarājas vertikāli, bet noliecas leņķī. Tagad kontaktdakšas atrodas tālāk viena no otras nekā pirms uzlādes saņemšanas. Tas pats notiks, ja abiem korķa gabaliem pieskaras elektriski uzlādēti stikla gabali.
Tomēr, ja vienam korķa gabalam pieskaras uzlādēts dzintars un otrs ar stiklu, abi gabali tiks piesaistīti viens otram. Šī bija atšķirība, kuras dēļ Du Fay ierosināja divu veidu elektriskā lādiņa esamību. Parādījās vispārinājums: Tāpat kā elektriskie lādiņi atgrūž, atšķirībā no elektriskie lādiņi piesaista.
18. gadsimta četrdesmitajos gados amerikānis Bendžamins Franklins, plaši domājošs cilvēks, sāka eksperimentus ar elektrību. Viņš ievēroja, ka, ja ķermenim, kurā ir viena veida lādiņš, pieskaras ķermenis, kuram ir vienāds citas zīmes lādiņš, lādiņi viens otru neitralizē, un abi ķermeņi kļūst elektriski neuzlādēti. Šķita, ka elektriskais šķidrums būtu plūdis no vietas, kur tā bija pārpilnībā, uz vietu, kur tā trūkst. Rezultātā abās vietās tika konstatēts kāds vidējais līmenis.
Franklins uzskatīja, ka ķermenis, kurā ir pārāk daudz elektriskā šķidruma, pārvadā pozitīvs elektriskais lādiņš un ķermenis, kam tā trūkst, nes negatīvs elektriskais lādiņš. Viņš nevarēja atšķirt, kurā ķermenī ir pārpalikums un kurā trūkums, tāpēc viņš patvaļīgi uzskatīja neberzēta stikla lādiņu par pozitīvu un noberztu dzintaru par negatīvu. Kopš tā laika šie apzīmējumi ir ievēroti.
Nākamās fiziķu paaudzes, kas pētīja elektriski uzlādētu ķermeņu uzvedību, nonāca pie secinājuma, ka slēgtas sistēmas kopējais elektriskais lādiņš ir nemainīgs.
Patiešām, dzintaru berzējot, elektriskais lādiņš nerodas no nekā. Ja dzintaru berzē ar roku, dzintara saņemto negatīvo elektrisko lādiņu kompensē tieši tāds pats pozitīvais lādiņš, ko saņem roka. Šo divu maksu summa ir nulle. Kad elektriskais lādiņš no rokas nonāk zemē un izplatās pa visu zemes virsmu, šķiet, ka tas pazūd. Tiek radīta ilūzija par lādiņa “parādīšanos” uz dzintara. Mēs jau esam apsvēruši līdzīgus gadījumus ar pozitīviem un negatīviem impulsiem vai ar leņķisko impulsu pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Tāpēc mēs varam formulēt ceturto saglabāšanas likumu: elektriskā lādiņa saglabāšana.
Kodolreakcijas un elektriskais lādiņš
Kad 90. gados fiziķi sāka skaidrāk izprast atoma struktūru, viņi atklāja, ka vismaz dažas tā daļas satur elektrisko lādiņu. Piemēram, elektroni, kas aizpilda atoma ārējos apgabalus, ir negatīvi lādēti, savukārt kodols atoma centrā nes pozitīvu elektrisko lādiņu. Protams, pirms atbildes sniegšanas uzreiz radās jautājums par šo lādiņu lielumu, apskatīsim dažas maksas vienības.
Vispārpieņemtā elektriskā lādiņa vienība ir kulons(nosaukts franču fiziķa Šarla Augustīna Kulona vārdā, kurš 1785. gadā noteica elektriskā lādiņa lielumu, izmērot citu lādiņu pievilkšanas un atgrūšanas spēku). 60 vatu spuldzē ik pēc divām sekundēm caur jebkuru kvēldiega punktu iziet viena kulona elektriskais lādiņš. Daudz mazāk elektrostatiskais maksas vienība. Kulons ir vienāds ar 3·10 9 elektrostatiskajām vienībām.
Bet pat elektrostatiskā vienība ir ārkārtīgi liela, lai izmērītu viena elektrona lādiņu. Pirmo reizi elektrona lādiņu pietiekami precīzi 1911. gadā izmērīja amerikāņu fiziķis Roberts Endrjūs Millikans. Tas izrādījās vienāds ar aptuveni pusmiljardo daļu no elektrostatiskās vienības. Saskaņā ar jaunākajiem mērījumiem elektrona lādiņš ir 4,80298·10 -10 elektrostatiskās vienības. Lai neizmantotu tik neērtu daļu, mēs ņēmām elektrona elektrisko lādiņu vienādu ar -1, kur mīnusa zīme nozīmē negatīvu lādiņu. Jebkurš elektrons neatkarīgi no tā, vai tas ir iesaistīts elektriskā strāvā vai pieder jebkura elementa atomam, ir tieši vienāds ar -1 neatkarīgi no mūsu jutīgāko instrumentu precizitātes.
Vienkāršākā atoma kodola, t.i., ūdeņraža atoma kodola elektriskais lādiņš ir +1. Cik var spriest jutīgākie instrumenti, ūdeņraža kodola pozitīvais lādiņš ir tieši vienāds ar elektrona negatīvo lādiņu (lai gan, protams, pretējā zīmē). Smagākiem atomu kodoliem ir lielāki pozitīvie lādiņi, kas noteikti ir izteikti kā vesels skaitlis. Vismaz līdz šim nav atklāts daļējs lādiņš, pozitīvs vai negatīvs.
Katra elementa atomiem ir raksturīgs kodollādiņš, kas atšķiras no citu elementu atomu lādiņa. Piemēram, visiem ūdeņraža atomiem kodollādiņš ir +1, visiem hēlija atomiem +2, visiem oglekļa atomiem +6, visiem urāna atomiem +92. Šo kodollādiņu sauc atomskaitlis.
Izotopi atšķiras viens no otra pēc masas skaitļiem, bet tomēr tie ir identiski pēc atomu skaita un ir viena un tā paša elementa atomi. Ir gan atomi ar kodollādiņu +1 un masas skaitli 1, gan atomi ar kodollādiņu +1 un masas skaitli 2. Abi veidi ir ūdeņraža atomi. Tos sauc par ūdeņradi-1 vai ūdeņradi-2, vai 1 H 1 un 1 H 2, kur indekss augšējā labajā pusē ir masas skaitlis, indekss apakšējā kreisajā pusē ir atomskaitlis. Tādā pašā veidā divi urāna izotopi ir uzrakstīti 92 U 238 un 92 U 235.
Abi urāna izotopi ir radioaktīvi. Katrs no tiem sadalās, izdalot daļiņu un kļūstot par torija atomu. Torija atomskaitlis ir 90, un a?-daļiņai, kas ir hēlija atoma kodols, ir atomskaitlis 2. Tad mēs varam rakstīt:
U +92 > Th +90 + Viņš +2.
Sākotnējā atoma kodola lādiņš bija +92, un diviem gala kodoliem bija +90 un +2, t.i., kopā +92. Šis ir vispārīgā noteikuma īpašs gadījums. Atoms ar atoma numuru X, Izstarojot ?-daļiņu, tā vienmēr pārvēršas par citu atomu ar atomskaitli X-2. Izņēmumi nekad netika novēroti. Līdz ar to ?-daļiņas starojuma gadījumā ir izpildīts elektriskā lādiņa nezūdamības likums.
Vai elektriskā lādiņa nezūdamības likums ir piemērojams daļiņu emisijai no atoma kodola? Šī daļiņa ir elektrons, kas ir apzīmēts e-1, jo elektrona lādiņš ir -1.
Tālāk apskatīsim torija izotopu uzvedību, kas veidojas urāna sabrukšanas laikā. Dabā tie nav īpaši izplatīti, jo tie, savukārt, ātri sadalās. Šajā gadījumā izdalās a?-daļiņa un veidojas elementa protaktīnija izotops, kura atomu skaits ir 91 un apzīmēts ar simbolu Ra. Koncentrējoties uz elektrisko lādiņu, mēs varam rakstīt
Th +90 > Pa +91 + e -1 .
Atkal mēs novērojam elektrisko lādiņu saglabāšanos.
Atoms ar atomskaitli X, Izstarojot?-daļiņu, tā vienmēr pārvēršas par citu atomu ar atomskaitli x+1. Arī izņēmumi no šī noteikuma netika ievēroti. Tas nozīmē, ka elektriskā lādiņa nezūdamības likums ir spēkā arī daļiņas starojumam.
Atoms, kas izstaro β-starus, emisijas procesā nemaina savu atomskaitli, jo β-staru fotonam nav lādiņa.
Īsāk sakot, izrādījās, ka elektriskā lādiņa nezūdamības likums ir izpildīts jebkurā kodolreakcijā.
Pamata struktūra
Lai gan jautājums par daļiņas starojumu šķita beidzot noskaidrots, kopš elektriskā lādiņa nezūdamības likuma izpildes fiziķi turpināja pētījumus. Viņiem palika noslēpums, kā pozitīvi lādēts kodols var izstarot negatīvi lādētu daļiņu.
Vienkāršais fakts, ka atoma kodols izstaro ?- un ?-daļiņas, pats par sevi norāda, ka kodols sastāv no vēl mazākām daļām un vismaz vienai no tām ir jābūt pozitīvam elektriskam lādiņam.
Gandrīz desmit gadus pēc elektrona atklāšanas fiziķi meklēja pozitīvi lādētu daļiņu, kas būtu līdzīga negatīvi lādētam elektronam. Taču meklēšana bija nesekmīga. Mazākā atklātā pozitīvi lādētā daļiņa izrādījās ūdeņraža-1 kodols, un tā tika apzīmēta ar 1 H 1 . Tā elektriskais lādiņš bija minimāls, tas ir, tas bija tieši vienāds ar elektrona lādiņu, bet tam bija pretēja zīme. Tomēr šīs daļiņas masa bija 1836,11 reizes lielāka par elektrona masu.
Līdz 1914. gadam Raterfords bija pārliecināts, ka ūdeņraža kodols ir vieglākā pozitīvi lādētā daļiņa, kas atrodama visos atomu kodolos. Bet kāpēc tas ir tik daudz smagāks par negatīvi lādētu elektronu (lai gan abām daļiņām ir vienādi pretējās zīmes lādiņi), viņš nevarēja izskaidrot. Un neviens nevarēja, ne toreiz, ne tagad. Tā joprojām ir viena no neatrisinātajām kodolfizikas problēmām līdz pat mūsdienām.
1920. gadā Rezerfords ierosināja šo pozitīvi lādēto daļiņu saukt par protonu no grieķu vārda protos - pirmkārt, jo lielās masas dēļ tā šķita pirmā, tas ir, vissvarīgākā, starp subatomiskajām daļiņām. Protona masa atomu mērogā ir 1,00797, un vairumā gadījumu tā tiek uzskatīta par vienotību bez lielām kļūdām.
Ūdeņraža-1 kodols sastāv no viena protona. Likās, ka visos pārējos kodolos vajadzētu būt diviem vai vairākiem protoniem, taču drīz vien kļuva skaidrs, ka atomu kodoli (nevis ūdeņradis-1, bet citi) nevar sastāvēt tikai no protoniem. Protona elektriskais lādiņš ir +1 un masas skaitlis ir aptuveni vienāds ar vienu, un, ja kodoli sastāvētu tikai no protoniem, to atomu skaitam būtu jābūt vienādam ar atomskaitli. Bet tas attiecas tikai uz ūdeņradi-1. Citu kodolu masas skaitļi ir lielāki par to atomu skaitu.
Aplūkosim, piemēram, slāpekļa kodolu ar masas skaitli 14. Ja tas sastāvētu tikai no protona, tā elektriskais lādiņš būtu +14 un līdz ar to arī atomskaitlis būtu 14. Patiesībā slāpekļa kodols ir +7, un kodols var apzīmēt kā 7 N 14. Kas notiek ar atlikušajām septiņām uzlādes vienībām?
Sākumā fiziķi domāja, ka atbilde slēpjas elektronu klātbūtnē kodolā. Ja slāpekļa kodolā būtu 14 protoni un 7 elektroni, septiņu elektronu kopējā masa būtu pietiekami maza, lai to ignorētu, bet elektroni kompensētu pusi no pozitīvajiem lādiņiem. Kā blakusparādība kodolelektronu klātbūtne ietekmētu arī kodola spēju emitēt elektronus α-daļiņu veidā. Šis kodola struktūras modelis cieta neveiksmi jautājumā par daļiņas griešanos.
Ir zināms, ka lādētām daļiņām pārvietojoties, rodas magnētiskais lauks. 1928. gadā angļu fiziķis Pols Diraks nonāca pie secinājuma, ka lādētas daļiņas pārvietojas pat tad, kad šķiet, ka tās atrodas miera stāvoklī. Vislabāk ir pieņemt, ka šādas daļiņas griežas ap savu asi, tas ir, tām ir noteikts leņķiskais impulss. Ja daļiņa griežas, tai ir jābūt enerģijai, kas tiek absorbēta noteiktās daļās vai kvantos. Tas attiecas uz visiem rotējošiem ķermeņiem (pat tādām planētām kā Zeme). Tomēr kvantu lielums ir tik mazs, salīdzinot ar Zemes kopējo rotācijas enerģiju, ka, ja Zeme saņemtu rotācijas enerģijas kvantu vai pat triljonu kvantu, neviens neko nepamanītu. Bet, ja subatomiskā daļiņa saņemtu šādu enerģijas kvantu, tās rotācija manāmi mainītos, jo subatomiskajai daļiņai kvants ir ļoti liels. Daļiņas rotāciju nevar noteikt ar mērījumiem, taču var parādīt, ka daļiņas spina vērtības atbilst tikai veselam enerģijas kvantu skaitam. Rotējošās daļiņas leņķiskā impulsa lielums ir ārkārtīgi mazs. Tāpēc tika izgudrots īpašs mērogs, saskaņā ar kuru fotonu spins tika pieņemts vienāds ar vienotību šajā skalā, protonam un elektronam katram ir 1/2 spins. Leņķisko impulsu var virzīt pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Protons vai elektrons var griezties vienā vai otrā virzienā, un tāpēc tā spins ir vai nu +1/2, vai -1/2.
Apskatīsim sistēmu, kas satur vairākas šādas daļiņas. Ja ir spēkā leņķiskā impulsa saglabāšanas likums, sistēmas kopējam spinam jābūt vienādam ar atsevišķu daļiņu spinu summu. Ļaujiet sistēmai sastāvēt no četrām daļiņām - protoniem vai elektroniem, vai abiem. Ja katras daļiņas spins ir +1/2 vai -1/2, kopējais spins ir nulle vai vesela skaitļa vērtība. Jebkuras sistēmas, kas satur pāra skaitu daļiņu, kuru katras spins ir + 1/2 vai -1/2, kopējais spins vienmēr ir nulle vai vesels skaitlis.
Ja sistēma sastāv no nepāra skaita daļiņām, no kurām katras griešanās ir +1/2 vai -1/2, kopējais grieziens nekad nebūs vienāds ar veselu skaitli vai nulli, bet tiks ņemtas tikai pusveselas vērtības.
Tāpēc, ja atoma kodols sastāv no protoniem un elektroniem, kodola kopējais spins (kodola spins) ir atkarīgs no visu daļiņu kopējā skaita. Tad, ja slāpekļa kodols 7 N 14 faktiski sastāv no 14 protoniem un 7 elektroniem, kopējais daļiņu skaits ir 21, t.i., nepāra, un slāpekļa-14 kodola spinam jābūt vienādam ar 1/2.
Tomēr 1929. gadā veiktie eksperimenti parādīja, ka tas ir vienāds ar veselu skaitli.
Šī neatbilstība tika konstatēta arī dažiem citiem kodoliem. Kļuva pilnīgi skaidrs, ka, ja kodolos ir gan protoni, gan elektroni, daži no tiem pārkāpj leņķiskā impulsa saglabāšanas likumu. Fiziķiem ļoti nepatīk atteikties no likuma, ja ir veids, kā no tā izvairīties, tāpēc viņi steidzās meklēt citu kodola uzbūves skaidrojumu.
Pieņemsim, ka protonu-elektronu pāra vietā kodolā ir viena neuzlādēta daļiņa. Tā esamība neietekmē elektriskā lādiņa nezūdamības likumu, jo protonu-elektronu pāra kopējais elektriskais lādiņš ir nulle, un tos aizstājošās daļiņas lādiņš arī ir nulle.
Atšķirība slēpjas leņķiskajā impulsā. Ja protonam un elektronam ir katram +1/2 vai -1/2 spins, kopējais spins būs +1, 0 vai -1. Neuzlādētas daļiņas rotācija var būt +1/2 vai -1/2. Pēc tam slāpekļa-14 kodolam jāsastāv no protoniem un neuzlādētām daļiņām.
Ja neitrālas daļiņas masa ir vienāda ar protona masu, masas skaitlim jābūt 14, bet atomskaitlim (protonu dēļ vien, jo tie ir vienīgie ar pozitīvu lādiņu) ir septiņi, t.i. būtu izotops 7 N 14. Tikai kopējais daļiņu skaits kodolā būtu 14, t.i., pāra, nevis nepāra 21. Bet ar pāra skaitu daļiņām, kurām katrai ir 1/2 spins, slāpekļa kodola spinam jābūt vesels skaitlis. Tādējādi tiktu saglabāts leņķiskā impulsa saglabāšanas likums.
Grūtības bija pašas šīs neuzlādētās daļiņas atrašanā.
Subatomisko daļiņu noteikšanas metodes balstījās uz to spēju izsist elektronus no atomiem, ar kuriem tie saduras, pārvēršot tos jonos. Pēdējos ieraksta dažādi instrumenti, ko fiziķi izmanto daļiņu pētīšanai.
Jonus veido daļiņas ar jebkāda veida lādiņiem. Negatīvi lādēta daļiņa atgrūž negatīvi lādētus elektronus un izsit tos no atoma, kura tuvumā tā lido. Pozitīvi lādēta daļiņa piesaista elektronus, atdalot tos no tai tuvākajiem atomiem. Neuzlādēta daļiņa mijiedarbojas ar elektroniem, t.i., neveido jonus, un tāpēc to nevar tieši noteikt. Tomēr ir netiešas metodes parasti neredzamu objektu noteikšanai. Ja paskatās pa logu, tu redzēsi kokus, bet neredzēsi gaisu. Tomēr, ja pamanāt, ka lapotne uz kokiem šūpojas, varat pamatoti pieņemt, ka tā saņem enerģiju, pateicoties dažu masu kustībai, kuras jūs nevarat redzēt. Rūpīgi izpētot kustīgo lapu uzvedību, jūs varat daudz uzzināt par gaisa īpašībām, to nemaz neredzot.
Sākot ar 1930. gadu, zinātnieki sāka pamanīt, ka tad, kad daži elementi tiek bombardēti ar ?-daļiņām, rodas starojums, ko nevar noteikt ar tradicionālajām metodēm. Ja parafīnu ievietoja šāda starojuma ceļā, no tā izdalījās protoni. Kaut kas deva protoniem impulsu. Pārnestais impulss bija nozīmīgs, tāpēc starojumam vajadzēja sastāvēt no ļoti smagām vai ļoti ātrām daļiņām un, iespējams, gan smagām, gan ātri. Angļu fiziķis Džeimss Čadviks spēja pareizi interpretēt iegūtos datus un 1932. gadā paziņoja par sen aizdomām par neitrālas daļiņas atklāšanu. To sauca par neitronu. Neitronam ir masa, kas ir nedaudz lielāka par protona masu; pašlaik tiek pieņemts, ka tas ir 1.008655. Neitronam ir nulle elektriskais lādiņš un griešanās +1/2 vai -1/2, t.i., tieši tās īpašības, kas bija nepieciešamas, lai saglabātu leņķiskā impulsa nezūdamības likumu.
Vācu fiziķis Verners Karls Heizenbergs uzreiz pieņēma, ka kodols sastāv no protoniem un neitroniem, tas ir, no diviem iepriekš minētajiem nukleonu veidiem.
Tā kā protonu un neitronu masas skaits ir aptuveni viens, jebkura kodola masas skaits ir vienāds ar tajā esošo nukleonu skaitu. Atomskaitlis, kas apzīmē kodola elektrisko lādiņu, ir vienāds ar protonu skaitu, jo tikai protoniem ir elektriskais lādiņš. Kodols 2 He 4 sastāv no 2 protoniem un 2 neitroniem (t.i., četriem nukleoniem), 8 O 16 sastāv no astoņiem protoniem un astoņiem neitroniem (t.i., 16 nukleoniem), 90 Th 232 sastāv no 90 protoniem un 142 neitroniem., no i.e. 232 nukleoni).
Visiem jebkura elementa izotopiem ir vienāds atomu skaits, tāpēc tiem visiem ir jābūt vienādam raksturīgajam protonu skaitam to kodolos. Viņiem ir dažādi masas skaitļi, tāpēc tiem jābūt dažādam nukleonu skaitam. Šī atšķirība rodas tikai neitronu skaita atšķirības dēļ. Tādējādi divu oglekļa izotopu, 6 C 12 un 6 C 13, kodoli satur 6 protonus un 6 neitronus pirmajā gadījumā un 6 protonus un 7 neitronus otrajā.
Kas attiecas uz urānu, 92 U 235 kodols sastāv no 92 protoniem un 143 neitroniem, t.i., kopā 235 nukleoniem, 92 U 238 kodols sastāv no 92 protoniem un 146 neitroniem, t.i., kopā 238 kodoli.
Neitronu sabrukšana
Kodola protonu-neitronu modelis pilnībā apmierina fiziķus un tiek uzskatīts par labāko līdz šai dienai. Tomēr no pirmā acu uzmetiena tas rada zināmas šaubas. Ja atoma kodols sastāv tikai no protoniem un neitroniem, atkal rodas jautājums, kā no tā var izkļūt negatīvi lādēti elektroni?-daļiņu veidā. Ko darīt, ja kodolā nav elektronu un tie veidojas sabrukšanas brīdī? Piemērosim saglabāšanas likumus, lai atrastu pareizo risinājumu.
Elektrona veidošanās nozīmē negatīva elektriskā lādiņa radīšanu. Bet saskaņā ar elektriskā lādiņa nezūdamības likumu negatīvs lādiņš nevar veidoties, kamēr tajā pašā laikā nerodas pozitīvs lādiņš. Taču neviena pozitīvi lādēta daļiņa neizlido no kodola kopā ar ?-daļiņu, tāpēc šādai daļiņai jāpaliek kodola iekšienē. Ir zināms, ka kodola iekšpusē ir tikai viena pozitīvi lādēta daļiņa - protons. No visa teiktā izriet, ka tad, kad no kodola izplūst elektrons, kodola iekšpusē veidojas protons. Pāriesim pie enerģijas nezūdamības likuma. Protonam ir masa, un, ja tas veidojas, masai jāpazūd kaut kur citur. Visi kodoli, izņemot ūdeņradi-1, satur neitronus. Neuzlādēts neitrons parādās vai pazūd, nepārkāpjot elektriskā lādiņa nezūdamības likumu. Līdz ar to, kodola iekšienē izdaloties α daļiņai, pazūd neitrons un tajā pašā laikā parādās protons (4. att.). Citiem vārdiem sakot, neitrons pārvēršas par protonu, šajā procesā izstaro elektronu. Enerģijas nezūdamības likums nav pārkāpts, jo neitrons ir nedaudz smagāks par protonu. Protona un elektrona masa kopā ir 1,008374 pēc atomu svara skalas, un neitrona masa ir 1,008665. Kad neitrons pārvēršas par elektronu un protonu, masa 0,00029 “pazūd”. Patiesībā tas pārvēršas emitētās α-daļiņas kinētiskajā enerģijā, kas vienāda ar aptuveni 320 keV.
Rīsi. 4. Radiācijas?-daļiņas.
Šis skaidrojums šķiet apmierinošs, tāpēc apkoposim, izmantojot pēc iespējas vienkāršāku simbolu sistēmu. Apzīmēsim neitronu n, protonu p +, elektronu e - un uzrakstīsim ?-daļiņas starojuma vienādojumu:
n > p + + e - .
Mūsu argumentācija tikai netieši atspoguļo to, kas notiek kodolā. Patiesībā jūs nevarat ieskatīties kodolā un redzēt, kā protons pārvēršas par neitronu, kad tiek atbrīvots uzlādēts elektrons. Vismaz pagaidām ne. Vai ir iespējams novērot atsevišķus neitronus brīvā stāvoklī? Vai tie, tā sakot, mūsu acu priekšā pārvērtīsies par protoniem un izstaros ātrus elektronus?
1950. gadā fiziķiem beidzot izdevās iegūt atbildi. Brīvie neitroni ik pa laikam sadalās un pārvēršas protonos, un tas nenotiek bieži. Katru reizi, kad neitrons piedzīvo šīs izmaiņas, tiek emitēts elektrons.
Neitroni pastāv brīvā stāvoklī, līdz notiek sabrukšana, un jautājums par to, cik ilgi šis periods ilgst, ir ļoti svarīgs. Nav iespējams precīzi pateikt, kad neitronam notiks radioaktīvā sabrukšana. Šis process ir nejaušs. Viens neitrons pastāv bez sabrukšanas vienu sekundes miljono daļu, otrs piecas nedēļas un trešais divdesmit septiņus miljardus gadu. Tomēr lielam skaitam viena veida daļiņu ir iespējams ar saprātīgu precizitāti paredzēt, kad noteikta procentuālā daļa no tām sadalīsies. (Līdzīgi apdrošināšanas statistiķis nevar prognozēt, cik ilgi dzīvos atsevišķa persona, bet lielai cilvēku grupai noteikta vecuma, profesijas, dzīvesvietas utt. viņš var ar ievērojamu precizitāti prognozēt, cik ilgi tas prasīs uz pusi. no viņiem mirt.)
Laiku, kurā puse noteiktā tipa daļiņu sadalās, parasti sauc par daļiņas pussabrukšanas periodu. Šo terminu 1904. gadā ieviesa Raterfords. Katram daļiņu veidam ir savs raksturīgs pussabrukšanas periods. Piemēram, urāna-238 pussabrukšanas periods ir 4,5·10 9 gadi, bet torija-232 pussabrukšanas periods ir daudz garāks - 1,4·10 10 gadi. Tāpēc urāns un torijs joprojām ir atrodami ievērojamos daudzumos zemes garozā, neskatoties uz to, ka jebkurā brīdī daži to atomi sadalās. Visā piecu miljardu gadu ilgajā Zemes vēsturē sabruka tikai puse no urāna-238 rezervēm un daudz mazāk nekā puse no torija-232 rezervēm.
Daži radioaktīvie kodoli ir daudz mazāk stabili. Piemēram, kad urāns-238 izstaro daļiņu, tas pārvēršas par toriju-234. Torija-234 pussabrukšanas periods ir tikai 24 dienas, tāpēc zemes garozā ir tikai šī elementa pēdas. Tas veidojas ļoti lēni no urāna-238 un pēc izveidošanās ļoti ātri sadalās.
Kad torijs-234 sadalās, tas izdala daļiņu. Torija kodola iekšpusē neitrons pārvēršas par protonu. Šī torija-234 transformācija notiek ar tādu ātrumu, ka pussabrukšanas periods ir divdesmit četras dienas. Citos radioaktīvos izotopos neitroni pārvēršas protonos daudz lēnāk. Piemēram, kālijs-40 izdala β-daļiņas ar pussabrukšanas periodu 1,3·10 9 gadi. Daži izotopi vispār nav pakļauti radioaktīvai sabrukšanai. Tādējādi skābekļa-16 atomu kodolos, cik zināms, neviens neitrons pats par sevi nepārvēršas par protonu, t.i., pussabrukšanas periods ir bezgalīgs. Tomēr mūs visvairāk interesē brīvā neitrona pussabrukšanas periods. Brīvo neitronu ieskauj citas daļiņas, kas padarītu to vairāk vai mazāk stabilu, pagarinot vai saīsinot tā pussabrukšanas periodu, t.i., brīvā neitrona gadījumā mums ir, tā sakot, neizkropļots pussabrukšanas periods. Izrādās, ka tas ir vienāds ar aptuveni divpadsmit minūtēm, kas nozīmē, ka puse no triljoniem neitronu katras divpadsmitās minūtes beigās tiek pārvērsti protonos un elektronos.
Fiziķi no Kalifornijas Universitātes Sandjego ir ierosinājuši izmantot tumšo vielu, lai izskaidrotu neatbilstību starp "pudeles" un "staru" eksperimentiem, lai noteiktu brīvā neitrona kalpošanas laiku. Lai to paveiktu, aptuveni vienam procentam neitronu sabrukšanas galaproduktā jāsatur tumšās vielas daļiņa, kuras masa praktiski sakrīt ar protona masu. Raksts publicēts Fiziskās apskates vēstules, īsi ziņo par to Fizika.
Saistītā stāvoklī (atoma kodola iekšpusē) neitroni var dzīvot bezgalīgi, bet brīvie neitroni ātri sadalās. Parasti šādas sabrukšanas produkti ir protons, elektrons un elektronu antineitrīns. n → lpp + e − + ν e* (tā sauktais), lai gan standarta modelis pieļauj arī eksotiskākus procesus, piemēram, starojuma beta sabrukšanu vai sabrukšanu, veidojot ūdeņraža atomu. Teorētiskie aprēķini par brīvā neitrona kalpošanas laiku, kas sadalās pa šādu kanālu, ievērojami ir atkarīgi no aksiālā vektora un vektora savienojuma attiecības vērtības, kas tiek mērīta ar relatīvo kļūdu aptuveni 0, 2 procenti. Tas apgrūtina neitronu kalpošanas laika precīzu aplēsi. Pašlaik teorētiskie aprēķini paredz dzīves ilgumu no 875 līdz 891 sekundei jeb aptuveni 15 minūtēm.
No otras puses, neitrona kalpošanas laiku var izmērīt tieši un divos praksē viegli īstenojamos veidos. Pirmā veida eksperimentā zinātnieki atdzesē daļiņas līdz zemai temperatūrai, ievieto tās gravitācijas slazdā, kas veidota kā iegarena pudele, un izmēra neitronu skaitu slazdā. N atkarīgs no laika. Pēc tam eksperimentāli izmērītās atkarības salīdzināšana ar eksponenciālo likumu N~ exp(− t/τ), mēs varam atrast raksturīgo neitronu kalpošanas laiku τ = τ pudeli. Otrā veida eksperimentā fiziķi ņem neitronu staru kūli un mēra, cik protonu tas satur, ko rada beta sabrukšana. Tas ļauj noteikt norimšanas ātrumu un līdz ar to arī tam raksturīgo laiku, kas sakrīt ar neitronu kalpošanas laiku τ = τ stars.
Problēma ir tā, ka ar dažādām metodēm veikto mērījumu rezultāti atšķiras gandrīz par desmit sekundēm - kamēr pudeles eksperimenti dod vērtību τ = 879,6 ± 0,6 sekundes, eksperimenti ar stariem noved pie manāmi lielākas vērtības τ = 888 ± 2 sekundes. Tādējādi šo rezultātu neatbilstība sasniedz 4. Šādas neatbilstības iemesli var būt vai nu sistemātiskas kļūdas, kuras neievērojušas vairākas eksperimentētāju grupas, vai fundamentāli mehānismi, kas norāda uz fiziku ārpus standarta modeļa.
Fiziķi Bartošs Fornāls un Bendžamins Grinšteins ierosina izskaidrot dažādu eksperimentu rezultātu neatbilstību, izmantojot . Faktiski “staru” metodē tiek pieņemts, ka sabrukšanas rezultātā simts procenti neitronu pārvēršas protonos, kā arī dažas citas mazāk masīvas daļiņas (fotoni, neitrīno utt.). Ja neliela daļa no šiem sabrukšanas notiek caur “neredzamu” kanālu, tas ir, tajā kā galaprodukti ir tumšās vielas daļiņa, kas ļoti vāji mijiedarbojas ar vielu, tad sabrukšanas ātrums un uz tā pamata aprēķinātais kalpošanas laiks būs jāsamazina. nedaudz koriģēts. Aptuveni runājot, "neredzama" kanāla klātbūtnē sabrukšanas ātrums ir nepietiekami novērtēts, un eksperimentētājiem šķiet, ka neitroni dzīvo nedaudz ilgāk. Precīzāk, patieso kalpošanas laiku var atjaunot, reizinot laika τ staru kūli ar attiecību Br starp reakciju skaitu, kurās iesaistītas standarta modeļa daļiņas, un kopējo reakciju skaitu (fiziķi sauc šo attiecību par “sazarojumu attiecību”). Lai saskaņotu “pudeles” un “staru” eksperimentu rezultātus, attiecībai jābūt aptuveni vienādai ar Br ≈ 0,99, tas ir, apmēram vienam procentam sabrukšanas jānotiek caur “neredzamo” kanālu.
Zinātnieki ierosina divus iespējamos sabrukšanas kanālus, kuros iesaistītas tumšās vielas daļiņas. Viens no tiem ir pilnībā “neredzams” (iekļauts kā galaprodukts tikai tumšās matērijas daļiņas), bet otrs ir “neredzams” tikai daļēji, tas ir, papildus masīvajai tumšās vielas daļiņai tajā ir salīdzinoši vieglas Standarta modeļa daļiņas - fotoni, elektroni, pozitroni utt. Diemžēl, ieviešot teorijā šādus kanālus, kļūst iespējama protonu sabrukšana, kas praksē netiek novērota; tomēr fiziķi ir pierādījuši, ka šāda sabrukšana būs aizliegta, ja "neredzamās" daļiņas masa atrodas diapazonā no 937,9 līdz 939,6 megaelektronvoltiem. Turklāt daļiņas turpmāka sabrukšana, veidojot protonu, nebūs iespējama, ja tās masa būs mazāka par 938,8 megaelektronvoltiem. Šādos apstākļos iegūtās daļiņas kalpošanas laiks būs diezgan ilgs, kas padara to par labu kandidātu tumšās vielas daļiņas lomai.
“Neredzamie” neitroni sadalās tumšās vielas daļiņās
B. Fornāls un B. Grinšteins / Phys. Rev. Lett.
"Daļēji neredzama" neitrona sabrukšana tumšās vielas daļiņā un fotonā
B. Fornāls un B. Grinšteins / Phys. Rev. Lett.
Visbeidzot, fiziķi sīkāk izpētīja katru no diviem iespējamajiem kanāliem un noskaidroja tajos veidojošos daļiņu parametrus. Piemēram, fotonu enerģija, kas dzimuši kopā ar ilgstošām tumšās vielas daļiņām “daļēji neredzamā” kanālā, ir diapazonā no 0,782 līdz 1,664 megaelektronvoltiem, un fotoniem jābūt vienkrāsainiem (tas ir, to enerģija ir tāda pati visos sabrukumos). Ja daļiņai tiek noņemta prasība pēc ilga mūža, fotonu enerģijas apakšējā robeža pazūd.
Lai gan fiziķu raksts in Fiziskās apskates vēstules iznāca tikai pagājušajā nedēļā; tas tika publicēts pirmsdrukas vietnē arXiv.org 2018. gada 3. janvārī. Tāpēc vairākas zinātnieku grupas jau paspējušas pielietot Fornāla un Grīnšteina idejas savos darbos. Jo īpaši pētnieku grupa no Amerikas un Francijas jau ir mēģinājusi atklāt fotonus, kas dzimst neitronu “daļēji neredzamās” sabrukšanas rezultātā, skenējot enerģijas diapazonu no 0,782 līdz 1,664 megaelektronvoltiem, taču viņi nekad nav spējuši reģistrēt fotonus. pamanāms signāls, kas izslēdz ilgstošu daļiņu tumšās vielas veidošanos sabrukšanas laikā. Citas grupas pētīja, kā "neredzamā" sabrukšana ietekmēs neitronu zvaigžņu evolūciju - izrādījās, ka, ja šāda sabrukšana patiešām notiktu, zvaigžņu masa strauji samazinātos. Tas ir pretrunā ar astronomu novērojumiem; tāpēc neitronu zvaigznēs ir jāaizliedz “neredzama” sabrukšana. Visbeidzot, cita zinātnieku grupa parādīja, ka anomāli augsto 10 Be atomu saturu 11 Be sabrukšanas produktos var izskaidrot, izmantojot tos pašus mehānismus kā neitronu sabrukšanas gadījumā.
Līdz šim zinātniekiem nav izdevies noķert tumšās vielas daļiņas tiešā eksperimentā, tāpēc visi pierādījumi par labu tās pastāvēšanai ir tikai gravitācijas raksturs. Tā vietā fiziķi ir noteikuši ļoti stingrus šķērsgriezuma ierobežojumus WIMP mijiedarbībai ar vielu - piemēram, šī šķērsgriezuma maksimālā iespējamā vērtība tagad ir aptuveni 10–45 kvadrātcentimetri. Tomēr pētnieki nezaudē cerību uz panākumiem - viņi turpina esošās eksperimentālās instalācijas, jauna veida detektorus, meklē cita veida tumšās vielas daļiņas (piemēram, vai), kā arī alternatīvas daļiņu noteikšanas metodes.
Dmitrijs Truņins