Doğadaki tüm fiziksel bedenler, madde adı verilen bir tür maddeden yapılmıştır. Maddeler basit ve karmaşık maddeler olmak üzere iki ana gruba ayrılır.
Karmaşık maddeler, kimyasal reaksiyonlar yoluyla daha basit maddelere parçalanabilen maddelerdir. Basit maddeler, karmaşık maddelerin aksine, kimyasal olarak daha basit maddelere ayrıştırılamayan maddelerdir.
Karmaşık bir maddeye örnek olarak su verilebilir. Kimyasal reaksiyon daha basit iki maddeye (hidrojen ve oksijen) ayrıştırılabilir. Son ikisine gelince, bunlar artık kimyasal olarak daha basit maddelere ayrıştırılamazlar ve bu nedenle basit maddeler veya başka bir deyişle kimyasal elementlerdir.
19. yüzyılın ilk yarısında bilimde kimyasal elementlerin birbiriyle hiçbir ortak bağlantısı olmayan, değişmeyen maddeler olduğu varsayımı vardı. Ancak Rus bilim adamı D.I. Mendeleev (1834 - 1907) bağlantıyı ilk kez 1869'da belirledi. kimyasal elementler, bunu gösteriyor kalite özelliği her biri niceliksel özelliklerine - atom ağırlığına - bağlıdır.
D.I. Mendeleev, kimyasal elementlerin özelliklerini incelerken, özelliklerinin atom ağırlığına bağlı olarak periyodik olarak tekrarlandığını fark etti. Bu periyodikliği, bilime "Mendeleev'in Periyodik Element Tablosu" adı altında dahil edilen bir tablo halinde sergiledi.
Mendeleev'in modern periyodik kimyasal element tablosu aşağıdadır.
Atomlar
Buna göre modern fikirler Bilime göre, her kimyasal element atom adı verilen çok küçük malzeme (madde) parçacıklarının bir araya gelmesinden oluşur.
Atom, bir kimyasal elementin artık kimyasal olarak başka, daha küçük ve daha basit malzeme parçacıklarına ayrıştırılamayan en küçük fraksiyonudur.
Doğası farklı olan kimyasal elementlerin atomları, fiziksel ve kimyasal özellikleri, yapısı, büyüklüğü, kütlesi, atom ağırlığı, içsel enerjisi ve diğer bazı özellikleri bakımından birbirinden farklılık gösterir. Örneğin, hidrojen atomu özellikleri ve yapısı bakımından oksijen atomundan ve ikincisi uranyum atomundan vb. keskin bir şekilde farklıdır.
Kimyasal elementlerin atomlarının boyutunun son derece küçük olduğu tespit edilmiştir. Geleneksel olarak atomların küresel bir şekle sahip olduğunu varsayarsak, çapları santimetrenin yüz milyonda birine eşit olmalıdır. Örneğin, doğadaki en küçük atom olan bir hidrojen atomunun çapı santimetrenin yüz milyonda birine (10-8 cm) eşittir ve en büyük atomların, örneğin bir uranyum atomunun çapı aşmaz. santimetrenin üç yüz milyonda biri (3 10 -8 cm). Sonuç olarak, bir hidrojen atomu, yarıçapı bir santimetre olan bir toptan, kürenin küreden ne kadar küçük olduğu kadar küçüktür.
Atomların boyutlarının çok küçük olması nedeniyle kütleleri de oldukça küçüktür. Örneğin bir hidrojen atomunun kütlesi m = 1,67 10 -24 g'dır. Bu, bir gram hidrojenin yaklaşık 6 10 23 atom içerdiği anlamına gelir.
Kimyasal elementlerin atom ağırlıkları için geleneksel ölçü birimi, bir oksijen atomunun ağırlığının 1/16'sı olarak alınır. Bir kimyasal elementin bu atom ağırlığına göre, ağırlığının kaç katı olduğunu gösteren soyut bir sayı denir. Belirli bir kimyasal elementin ağırlığı, bir oksijen atomunun ağırlığının 1/16'sından daha fazladır.
İÇİNDE periyodik tablo D.I. Mendeleev'in elementleri, tüm kimyasal elementlerin atom ağırlıkları verilmiştir (elementin adının altındaki numaraya bakınız). Bu tablodan en hafif atomun atom ağırlığı 1,008 olan hidrojen atomu olduğunu görüyoruz. Karbonun atom ağırlığı 12, oksijen 16 vb.'dir.
Daha ağır kimyasal elementlere gelince, bunların atom ağırlığı, hidrojenin atom ağırlığını iki yüz kattan fazla aşıyor. Bu nedenle, cıvanın atom ağırlığı 200,6, radyum 226 vb.'dir. Elementlerin periyodik tablosunda bir kimyasal elementin işgal ettiği sayı sırası ne kadar yüksekse, atom ağırlığı da o kadar büyük olur.
Kimyasal elementlerin atom ağırlıklarının çoğu ifade edilir kesirli sayılar. Bu, bir dereceye kadar, bu tür kimyasal elementlerin, farklı atom ağırlıklarına sahip ancak aynı kimyasal özelliklere sahip birçok türde atomun birleşiminden oluşmasıyla açıklanmaktadır.
Periyodik element tablosunda aynı sayıda yer alan ve dolayısıyla aynı kimyasal özelliklere sahip ancak farklı atom ağırlıklarına sahip olan kimyasal elementlere izotop denir.
İzotoplar çoğu kimyasal elementte bulunur; iki izotopu vardır, kalsiyum - dört, çinko - beş, kalay - on bir vb. Pek çok izotop sanat yoluyla elde edilir, bazıları büyük pratik öneme sahiptir.
Maddenin temel parçacıkları
Uzun bir süre, kimyasal elementlerin atomlarının, evrenin temel “yapı taşları” gibi, maddenin bölünebilirliğinin sınırı olduğuna inanılıyordu. Modern bilim herhangi bir kimyasal elementin atomunun, atomun kendisinden bile daha küçük maddi parçacıkların bir toplamı olduğunu tespit ederek bu hipotezi reddetti.
Maddenin yapısının elektronik teorisine göre, herhangi bir kimyasal elementin atomu, etrafında elektron adı verilen "temel" malzeme parçacıklarının döndüğü merkezi bir çekirdekten oluşan bir sistemdir. Genel kabul görmüş görüşlere göre atom çekirdekleri, "temel" maddi parçacıkların (protonlar ve nötronlar) koleksiyonundan oluşur.
Atomların yapısını ve içindeki fiziksel ve kimyasal süreçleri anlamak için, atomları oluşturan temel parçacıkların temel özelliklerine en azından kısaca aşina olmak gerekir.
Bunu belirledim elektron doğada gözlenen en küçük negatif elektrik yüküne sahip maddi bir parçacıktır.
Geleneksel olarak bir elektronun parçacık olarak küresel bir şekle sahip olduğunu varsayarsak, elektronun çapı 4'e eşit olmalıdır. · 10-13 cm, yani herhangi bir atomun çapından onbinlerce kat daha küçüktür.
Diğer herhangi bir maddi parçacık gibi bir elektronun da kütlesi vardır. Bir elektronun "hareketsiz kütlesi", yani göreceli hareketsiz durumdaki kütlesi m o = 9,1 · 10 -28 g'ye eşittir.
Elektronun son derece küçük "hareketsiz kütlesi", elektronun atıl özelliklerinin son derece zayıf olduğunu gösterir; bu, değişken bir elektrik kuvvetinin etkisi altındaki elektronun, uzayda milyarlarca döngü frekansıyla salınabileceği anlamına gelir. ikinci.
Bir elektronun kütlesi o kadar küçüktür ki, bir gram elektron elde etmek için 1027 birim almak gerekir. Bu konuda en azından biraz fiziksel fikre sahip olmak muazzam çok sayıda bir örnek verelim. Eğer bir gram elektron birbirine yakın düz bir çizgi halinde yerleştirilebilseydi, dört milyar kilometre uzunluğunda bir zincir oluşturacaktı.
Bir elektronun kütlesi, diğer herhangi bir mikro parçacık gibi, hareketinin hızına bağlıdır. Göreli dinlenme durumunda olan bir elektron, herhangi bir fiziksel cismin kütlesi gibi mekanik nitelikte bir "durgun kütleye" sahiptir. Elektronun hareket hızı arttıkça artan “hareket kütlesi” ise elektromanyetik kökenlidir. Kütlesi ve elektromanyetik enerjisi olan belirli bir madde türü olarak hareket eden bir elektronda elektromanyetik alanın varlığından kaynaklanmaktadır.
Elektron ne kadar hızlı hareket ederse, elektromanyetik alanının eylemsizlik özellikleri o kadar fazla ortaya çıkar ve sonuç olarak ikincisinin kütlesi ve buna bağlı olarak elektromanyetik enerjisi de o kadar büyük olur. Elektromanyetik alanı olan bir elektron, organik olarak bağlı tek bir yapı oluşturduğundan malzeme sistemi o zaman elektronun elektromanyetik alanının hareket kütlesinin doğrudan elektronun kendisine atfedilebilmesi doğaldır.
Elektron, parçacığın özelliklerine ek olarak dalga özelliklerine de sahiptir. Deneyimler, elektron akışının, tıpkı ışık akışı gibi, dalga benzeri bir hareket şeklinde yayıldığını göstermiştir. Uzaydaki elektron akışının dalga hareketinin doğası, elektron dalgalarının girişimi ve kırınımı olgusu ile doğrulanır.
Elektron girişimi- bu, elektronik iradelerin üst üste bindirilmesi olgusudur ve elektron kırınımı- bu, içinden bir elektron akışının geçtiği dar bir aralığın kenarları etrafında bükülen elektron dalgaları olgusudur. Sonuç olarak, elektron sadece bir parçacık değil, uzunluğu elektronun kütlesine ve hızına bağlı olan bir “parçacık dalgasıdır”.
Elektronun öteleme hareketinin yanı sıra kendi ekseni etrafında dönme hareketi de yaptığı tespit edilmiştir. Bu tip elektron hareketine "spin" adı verilir ( ingilizce kelime"döndürme" - iş mili). Böyle bir hareketin sonucunda elektron, elektrik yükünden kaynaklanan elektriksel özelliklere ek olarak, bu açıdan temel bir mıknatısı anımsatan manyetik özellikler de kazanır.
Proton, mutlak değer olarak bir elektronun elektrik yüküne eşit pozitif elektrik yüküne sahip maddi bir parçacıktır.
Proton kütlesi 1,67 · 10-24 g, yani elektronun “durgun kütlesinin” yaklaşık 1840 katıdır.
Elektron ve protondan farklı olarak bir nötronun elektrik yükü yoktur, yani elektriksel olarak nötr bir “temel” madde parçacığıdır. Bir nötronun kütlesi neredeyse bir protonun kütlesine eşittir.
Atomların parçası olan elektronlar, protonlar ve nötronlar birbirleriyle etkileşime girer. Özellikle elektronlar ve protonlar, zıt elektrik yüklerine sahip parçacıklar olarak karşılıklı olarak birbirlerine çekilirler. Aynı zamanda, bir elektrondan bir elektron ve bir protondan bir proton, aynı elektrik yüküne sahip parçacıklar olarak itilir.
Tüm bu elektrik yüklü parçacıkların etkileşimi, elektrik alanları aracılığıyla gerçekleşir. Bu alanlar temsil eder özel çeşit foton adı verilen temel madde parçacıklarının bir araya gelmesinden oluşan madde. Her fotonun kesin olarak tanımlanmış bir enerji miktarı vardır (enerji kuantumu).
Elektrik yüklü malzeme parçacıklarının etkileşimi, fotonların birbirleriyle alışverişi yoluyla gerçekleştirilir. Elektrik yüklü parçacıklar arasındaki etkileşim kuvvetine genellikle denir. elektrik kuvveti.
Atom çekirdeğinde bulunan nötronlar ve protonlar da birbirleriyle etkileşime girer. Ancak bu etkileşim artık Elektrik alanı Nötron, maddenin elektriksel olarak nötr bir parçacığı olduğundan ve sözde nükleer alan aracılığıyla.
Bu alan aynı zamanda mezon adı verilen temel madde parçacıklarının bir araya gelmesinden oluşan özel bir madde türüdür. Nötron ve protonların etkileşimi, mezonların birbirleriyle değiştirilmesiyle gerçekleştirilir. Nötronlar ve protonların birbirleriyle etkileşimi arasındaki kuvvete nükleer kuvvet denir.
Nükleer kuvvetlerin atom çekirdeğinde son derece küçük mesafelerde - yaklaşık 10 - 13 cm - etki ettiği tespit edilmiştir.Nükleer kuvvetlerin büyüklüğü önemli ölçüde aşıyor elektriksel kuvvetler Atom çekirdeğindeki protonların karşılıklı itilmesi. Bu, yalnızca atom çekirdeği içindeki protonların karşılıklı itme kuvvetlerinin üstesinden gelmekle kalmayıp, aynı zamanda proton ve nötronların birleşiminden çok güçlü çekirdek sistemleri oluşturabilmelerine de yol açmaktadır.
Her atomun çekirdeğinin stabilitesi, iki çelişkili kuvvet arasındaki ilişkiye bağlıdır: nükleer (protonların ve nötronların karşılıklı çekiciliği) ve elektriksel (protonların karşılıklı itilmesi).
Atom çekirdeğine etki eden güçlü nükleer kuvvetler, nötronların ve protonların birbirine dönüşmesine katkıda bulunur. Nötron ve protonların bu karşılıklı dönüşümleri, mezonlar gibi daha hafif temel parçacıkların salınması veya emilmesinin bir sonucu olarak gerçekleştirilir.
Düşündüğümüz parçacıklara temel parçacıklar adı veriliyor çünkü bunlar, maddenin daha basit parçacıklarının bir araya gelmesinden oluşmuyor. Ancak aynı zamanda birbirlerine dönüşebileceklerini, birbirlerinin pahasına ortaya çıkabileceklerini de unutmamalıyız. Dolayısıyla bu parçacıklar bazı karmaşık oluşumlardır, yani. onların elementerliği koşulludur.
Atomların kimyasal yapısı
Yapısındaki en basit atom hidrojen atomudur. Yalnızca iki temel parçacığın (bir proton ve bir elektron) birleşiminden oluşur. Hidrojen atomu sistemindeki proton, elektronun etrafında belirli bir yörüngede döndüğü merkezi bir çekirdek rolünü oynar. İncirde. Şekil 1, hidrojen atomunun bir modelini şematik olarak göstermektedir.
Pirinç. 1. Hidrojen atomunun yapısının şeması
Bu model gerçekliğin yalnızca kaba bir tahminidir. Gerçek şu ki, bir "parçacık dalgası" olarak elektronun dış ortamdan keskin bir şekilde ayrılmış bir hacmi yoktur. Bu, elektronun kesin bir doğrusal yörüngesinden değil, bir tür elektron bulutundan bahsetmemiz gerektiği anlamına gelir. Bu durumda elektron çoğunlukla bir miktar yer kaplar. orta çizgi Bir atomdaki olası yörüngelerden biri olan bulut.
Elektronun yörüngesinin atomda kesinlikle değişmediğini ve hareketsiz olmadığını söylemek gerekir - o da elektronun kütlesindeki değişiklikler nedeniyle bir miktar dönme hareketine uğrar. Sonuç olarak, bir atomdaki elektronun hareketi görecelidir. karmaşık doğa. Hidrojen atomunun (proton) çekirdeği ve onun etrafında dönen elektron zıt elektrik yüklerine sahip olduğundan karşılıklı olarak çekilirler.
Aynı zamanda atom çekirdeğinin etrafında dönen elektron, onu çekirdekten uzaklaştıracak bir merkezkaç kuvveti geliştirir. Sonuç olarak, bir atomun çekirdeği ile bir elektron arasındaki karşılıklı çekimin elektrik kuvveti ve merkezkaç kuvveti Bir elektrona etki eden çelişkili kuvvetlerdir.
Dengede, elektronları atomdaki belirli bir yörüngede nispeten kararlı bir konuma sahiptir. Elektronun kütlesi çok küçük olduğundan, atom çekirdeğinin çekim kuvvetini dengelemek için, saniyede yaklaşık 6 10 15 devire eşit, çok büyük bir hızla dönmesi gerekir. Bu, hidrojen atomu sistemindeki elektronun, diğer atomlar gibi, yörüngesi boyunca saniyede bin kilometreyi aşan doğrusal bir hızla hareket ettiği anlamına gelir.
İÇİNDE normal koşullar Elektron, çekirdeğe en yakın yörüngedeki kendi türünde bir atomda döner. Aynı zamanda mümkün olan minimum miktarda enerjiye sahiptir. Örneğin, bir nedenden ötürü, atom sistemini işgal eden diğer bazı maddi parçacıkların etkisi altında, elektron atomdan daha uzak bir yörüngeye hareket ederse, o zaman zaten biraz daha fazla enerjiye sahip olacaktır.
Ancak elektron bu yeni yörüngede çok kısa bir süre kalır ve ardından tekrar atom çekirdeğine en yakın yörüngeye döner. Bu hareket sırasında fazla enerjisini bir kuantum elektriksel manyetik radyasyon - radyant enerji - şeklinde verir (Şekil 2).
Pirinç. 2. Bir elektron uzak bir yörüngeden atomun çekirdeğine daha yakın bir yörüngeye geçerken bir miktar ışınım enerjisi yayar.
Elektron dışarıdan ne kadar çok enerji alırsa, yörüngesi hareket ettiği atomun çekirdeğinden o kadar uzaklaşır ve büyük miktarÇekirdeğe en yakın yörüngeye döndüğünde elektromanyetik enerji yayar.
Çeşitli yörüngelerden atomun çekirdeğine en yakın olana geçiş sırasında bir elektronun yaydığı enerji miktarını ölçerek, hidrojen atomu sisteminde de bir elektronun diğer herhangi bir sistemde olduğu gibi olduğunu tespit etmek mümkün oldu. Atom, herhangi bir rastgele yörüngeye değil, etki altında aldığı enerjiye göre kesin olarak tanımlanmış bir yörüngeye hareket edebilir. dış güç. Bir elektronun atomda işgal edebileceği yörüngelere izin verilen yörüngeler denir.
Hidrojen atomunun çekirdeğinin pozitif yükü (proton yükü) ile elektronun negatif yükü sayısal olarak eşit olduğundan, toplam yükleri sıfıra eşit. Bu, normal durumundaki hidrojen atomunun elektriksel olarak nötr bir parçacık olduğu anlamına gelir.
Bu, tüm kimyasal elementlerin atomları için geçerlidir: Herhangi bir kimyasal elementin normal durumdaki bir atomu, pozitif ve negatif yüklerinin sayısal eşitliği nedeniyle elektriksel olarak nötr bir parçacıktır.
Bir hidrojen atomunun çekirdeği yalnızca bir "temel" parçacık - bir proton içerdiğinden, bu çekirdeğin sözde kütle numarası bire eşittir. Herhangi bir kimyasal elementin atomunun çekirdeğinin kütle numarası, bu çekirdeğin bileşiminde yer alan toplam proton ve nötron sayısıdır.
Doğal hidrojen esas olarak kütle numarası bire eşit olan atomların birleşiminden oluşur. Ancak kütle numarası ikiye eşit olan başka türde hidrojen atomları da içerir. Döteron adı verilen bu ağır hidrojenin atomlarının çekirdekleri iki parçacıktan oluşur: bir proton ve bir nötron. Hidrojenin bu izotopuna döteryum denir.
Doğal hidrojen çok az miktarda döteryum içerir. Her altı bin hafif hidrojen atomuna (kütle numarası bire eşittir) karşılık yalnızca bir döteryum atomu (ağır hidrojen) vardır. Hidrojenin başka bir izotopu daha var - trityum adı verilen süper ağır hidrojen. Bu hidrojen izotopunun atomunun çekirdeğinde üç parçacık vardır: nükleer kuvvetlerle birbirine bağlı bir proton ve iki nötron. Bir trityum atomunun çekirdeğinin kütle numarası üçtür, yani bir trityum atomu, hafif bir hidrojen atomundan üç kat daha ağırdır.
Hidrojen izotoplarının atomları farklı kütlelere sahip olmasına rağmen hala aynı kimyasal özelliklere sahiptirler. Örneğin, oksijenle kimyasal etkileşime giren hafif hidrojen, onunla karmaşık bir madde oluşturur - su. Benzer şekilde, hidrojenin izotopu döteryum, oksijenle birleşerek sıradan sudan farklı olarak ağır su olarak adlandırılan suyu oluşturur. Ağır su, nükleer (nükleer) enerji üretme sürecinde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Buradan, Kimyasal özellikler atomlar çekirdeklerinin kütlesine değil, yalnızca atomun elektron kabuğunun yapısına bağlıdır. Hafif hidrojen, döteryum ve trityum atomları aynı sayıda elektrona sahip olduğundan (her atom için bir tane), bu izotoplar aynı kimyasal özelliklere sahiptir.
Hidrojenin kimyasal elementinin periyodik element tablosunda ilk numarayı işgal etmesi tesadüf değildir. Gerçek şu ki, periyodik element tablosundaki herhangi bir elementin sayısı ile bu elementin atomunun çekirdeğinin yük değeri arasında bir bağlantı vardır. Bu şekilde formüle edilebilir: Periyodik element tablosundaki herhangi bir kimyasal elementin seri numarası sayısal olarak bu elementin çekirdeğinin pozitif yüküne ve dolayısıyla onun etrafında dönen elektronların sayısına eşittir.
Hidrojen periyodik element tablosunda ilk numarayı işgal ettiğinden, bu, atomunun çekirdeğinin pozitif yükünün bire eşit olduğu ve bir elektronun çekirdeğin etrafında döndüğü anlamına gelir.
Helyum kimyasal elementi periyodik element tablosunda ikinci sırada yer alır. Bu, çekirdeğin iki birime eşit pozitif elektrik yüküne sahip olduğu anlamına gelir; yani çekirdeğinin iki proton içermesi ve atomun elektron kabuğunun iki elektrot içermesi gerekir.
Doğal helyum iki izotoptan oluşur: ağır ve hafif helyum. Ağır helyumun kütle numarası dörttür. Bu, ağır bir helyum atomunun çekirdeğinin yukarıda bahsedilen iki protona ek olarak iki nötron daha içermesi gerektiği anlamına gelir. Hafif helyumun kütle numarası üçtür, yani çekirdeğinin iki protona ek olarak bir nötron daha içermesi gerekir.
Doğal helyumda hafif helyum atomlarının sayısının, ağır helyum atomlarının yaklaşık milyonda biri olduğu tespit edilmiştir. İncirde. Şekil 3 helyum atomunun şematik modelini göstermektedir.
Pirinç. 3. Helyum atomunun yapısının şeması
Kimyasal elementlerin atomlarının yapısının daha da karmaşıklığı, bu atomların çekirdeklerindeki proton ve nötron sayısındaki artışa ve aynı zamanda çekirdeklerin etrafında dönen elektron sayısındaki artışa bağlı olarak ortaya çıkar (Şekil 4). ). Periyodik element tablosunu kullanarak çeşitli atomları oluşturan elektron, proton ve nötron sayısını belirlemek kolaydır.
Pirinç. 4. Atom çekirdeğinin yapısının şemaları: 1 - helyum, 2 - karbon, 3 - oksijen
Bir kimyasal elementin atom numarası, bir atomun çekirdeğinde bulunan protonların sayısına ve aynı zamanda çekirdeğin etrafında dönen elektronların sayısına eşittir. Atom ağırlığı ise yaklaşık olarak atomun kütle numarasına, yani çekirdekte birleşen proton ve nötron sayısına eşittir. Bu nedenle, bir elementin atom ağırlığından, elementin atom numarasına eşit bir sayı çıkarılarak, belirli bir çekirdekte kaç tane nötron bulunduğu belirlenebilir.
Eşit sayıda proton ve nötron içeren hafif kimyasal elementlerin çekirdeklerinin büyük ölçüde farklı olduğu tespit edilmiştir. büyük güç, çünkü içlerindeki nükleer kuvvetler nispeten büyüktür. Örneğin ağır bir helyum atomunun çekirdeği son derece güçlüdür çünkü güçlü nükleer kuvvetlerle birbirine bağlanan iki proton ve iki nötrondan oluşur.
Daha ağır kimyasal elementlerin atomlarının çekirdekleri eşit olmayan sayıda proton ve nötron içerir, bu nedenle çekirdekteki bağları hafif kimyasal elementlerin çekirdeklerinden daha zayıftır. Bu elementlerin çekirdekleri, atomik “mermiler” (nötronlar, helyum çekirdekleri vb.) ile bombardımana tutulduğunda nispeten kolaylıkla bölünebilir.
En ağır kimyasal elementlerin, özellikle de radyoaktif olanların çekirdekleri o kadar zayıftır ki, kendiliğinden bileşenlerine ayrışırlar. Örneğin, 88 proton ve 138 nötronun birleşiminden oluşan radyoaktif element radyumun atomları, kendiliğinden bozunarak radyoaktif element radonunun atomlarına dönüşür. İkincisinin atomları da bileşen parçalarına ayrılarak diğer elementlerin atomlarına dönüşür.
Kısaca gözden geçirdikten sonra bileşenler kimyasal elementlerin atomlarının çekirdekleri, atomların elektronik kabuklarının yapısını göz önünde bulundurun. Bilindiği gibi elektronlar atom çekirdeği etrafında ancak kesin olarak tanımlanmış yörüngelerde dönebilmektedirler. Dahası, her atomun elektron kabuğunda öyle gruplandırılmışlardır ki, bireysel elektron katmanları ayırt edilebilir.
Her katman, kesin olarak tanımlanmış bir sayıyı aşmayan sayıda elektron içerebilir. Yani, örneğin, bir atomun çekirdeğine en yakın olan ilk elektron katmanında en fazla iki elektron olabilir, ikincisinde en fazla sekiz elektron vb. olabilir.
Dış elektron katmanları tamamen dolu olan atomlar en kararlı elektron kabuğuna sahiptir. Bu, bu atomun tüm elektronlarını sıkı bir şekilde tuttuğu ve dışarıdan ek bir miktar almasına gerek olmadığı anlamına gelir. Örneğin, bir helyum atomunun, ilk elektron katmanını tamamen dolduran iki elektronu vardır ve bir neon atomunun, ilk ikisi birinci elektron katmanını tamamen dolduran ve geri kalanı ikincisini tamamen dolduran on elektronu vardır (Şekil 5).
Pirinç. 5. Neon atomunun yapısının şeması
Sonuç olarak, helyum ve neon atomları tamamen kararlı elektronik kabuklara sahiptir ve bunları bir şekilde niceliksel olarak değiştirmeye çalışmazlar. Bu tür elementler kimyasal olarak inerttir, yani diğer elementlerle kimyasal olarak etkileşime girmezler.
Bununla birlikte çoğu kimyasal elementin dış elektron katmanlarının tamamen elektronlarla doldurulmadığı atomları vardır. Örneğin, bir potasyum atomunun on dokuz elektronu vardır ve bunların on sekizi ilk üç katmanı tamamen doldurur ve on dokuzuncu elektron bir sonraki doldurulmamış elektron katmanında yalnızdır. Dördüncü elektron katmanının elektronlarla zayıf bir şekilde doldurulması, atom çekirdeğinin en dıştaki elektronu, on dokuzuncu elektronu çok zayıf bir şekilde tutmasına ve bu nedenle ikincisinin atomdan kolayca ayrılabilmesine yol açar. .
Veya, örneğin, bir oksijen atomunun sekiz elektronu vardır, bunlardan ikisi birinci katmanı tamamen doldurur ve geri kalan altısı ikinci katmanda bulunur. Böylece oksijen atomundaki ikinci elektron katmanının oluşumunun tamamen tamamlanması için yalnızca iki elektrona ihtiyacı vardır. Dolayısıyla oksijen atomu, ikinci katmandaki altı elektronunu sıkı bir şekilde tutmakla kalmaz, aynı zamanda ikinci elektron katmanını doldurmak için eksik olan iki elektronu da çekme yeteneğine sahiptir. Bunu, dış elektronları çekirdeklerine zayıf bir şekilde bağlı olan elementlerin atomlarıyla kimyasal olarak birleştirerek başarır.
Atomları tamamen elektronlarla dolu dış elektron katmanlarına sahip olmayan kimyasal elementler, kural olarak kimyasal olarak aktiftir, yani kolayca kimyasal etkileşimlere girerler.
Yani kimyasal elementlerin atomlarındaki elektronlar kesinlikle belli bir sırayla ve bir atomun elektron kabuğundaki uzaysal düzenleme veya miktarlarındaki herhangi bir değişiklik, bir değişikliğe yol açar. fiziksel ve kimyasal özellikler sonuncu.
Atom sistemindeki elektron ve proton sayısının eşitliği, toplam elektrik yükünün sıfır olmasının nedenidir. Atom sistemindeki elektron ve proton sayısının eşitliği ihlal edilirse atom elektrik yüklü bir sistem haline gelir.
Elektronlarının bir kısmını kaybetmesi veya tam tersine fazla miktarda alması nedeniyle sistemindeki zıt elektrik yüklerinin dengesi bozulan atoma iyon denir.
Aksine, eğer bir atom fazladan elektron kazanırsa negatif iyon haline gelir. Örneğin fazladan bir elektron kazanan bir klor atomu, tek yüklü negatif klor iyonu Cl-'ye dönüşür. Fazladan iki elektron alan bir oksijen atomu, iki kat yüklü negatif oksijen iyonu O'ya vb. dönüşür.
İyona dönüşen bir atom, dış ortam elektrik yüklü sistem. Bu, atomun, birlikte tek bir malzeme sistemi oluşturduğu bir elektrik alanına sahip olmaya başladığı ve bu alan aracılığıyla, diğer elektrik yüklü madde parçacıkları - iyonlar, elektronlar, pozitif yüklü atom çekirdekleri vb. ile elektriksel etkileşimi gerçekleştirdiği anlamına gelir.
Birbirinden farklı iyonların karşılıklı olarak birbirlerine çekilebilme yeteneği, kimyasal olarak birleşerek daha karmaşık madde parçacıkları - moleküller oluşturmalarının nedenidir.
Sonuç olarak şunu belirtmek gerekir ki bir atomun boyutları, kendisini oluşturan maddi parçacıkların boyutlarına göre çok büyüktür. En karmaşık atomun çekirdeği, tüm elektronlarla birlikte atom hacminin milyarda birini kaplar. Basit bir hesaplama şunu gösteriyor: eğer biri başarılı olursa metreküp platini atom içi ve atomlar arası boşluklar kaybolacak kadar sıkı sıkıştırırsak, yaklaşık bir milimetreküp kadar bir hacim elde edilir.
- Tercüme
Her atomun merkezinde proton ve nötron adı verilen küçük parçacıklardan oluşan çekirdek bulunur. Bu yazıda, daha da küçük parçacıklardan (kuarklar, gluonlar ve antikuarklar) oluşan protonların ve nötronların doğasını inceleyeceğiz. (Fotonlar gibi gluonlar da kendi antiparçacıklarıdır.) Kuarklar ve gluonlar bildiğimiz kadarıyla gerçekten temel olabilirler (bölünemezler ve daha küçük boyutlardan oluşmazlar). Ama onlara daha sonra.
Şaşırtıcı bir şekilde, protonlar ve nötronlar neredeyse aynı kütleye sahiptir; yüzdelik bir doğrulukla:
- Proton için 0,93827 GeV/c 2,
- Bir nötron için 0,93957 GeV/c 2.
Çok benzer olduklarından ve bu parçacıklar çekirdeği oluşturduklarından, protonlara ve nötronlara genellikle nükleonlar denir.
Protonlar 1920 civarında tanımlandı ve tanımlandı (her ne kadar daha önce keşfedilmiş olsalar da; hidrojen atomunun çekirdeği yalnızca tek bir protondur), nötronlar ise 1933 civarında keşfedildi. Proton ve nötronların birbirine ne kadar benzer olduğu hemen anlaşıldı. Ancak çekirdeğin boyutuyla karşılaştırılabilecek ölçülebilir bir boyuta sahip oldukları (yarıçap olarak atomdan yaklaşık 100.000 kat daha küçük) 1954 yılına kadar bilinmiyordu. Bunların kuark, antikuark ve gluonlardan oluştuğu 1960'lı yılların ortalarından 1970'li yılların ortalarına kadar yavaş yavaş anlaşıldı. 70'lerin sonlarında ve 80'lerin başlarında, protonlar, nötronlar ve bunların nelerden oluştuğuna dair anlayışımız büyük ölçüde oturmuştu ve o zamandan beri değişmeden kaldı.
Nükleonları tanımlamak atomları veya çekirdekleri tanımlamaktan çok daha zordur. Atomların temelde basit olduğunu söylemiyorum ama en azından bir helyum atomunun küçük bir helyum çekirdeği etrafında yörüngede bulunan iki elektrondan oluştuğunu düşünmeden söyleyebiliriz; Helyum çekirdeği ise iki nötron ve iki protondan oluşan oldukça basit bir gruptur. Ancak nükleonlarla her şey o kadar basit değil. Atomun zarif bir menüet, nükleonun ise çılgın bir partiye benzediğini zaten “Proton nedir ve içinde ne vardır?” yazımda yazmıştım.
Proton ve nötronun karmaşıklığı gerçek gibi görünmektedir ve tamamlanmamış bir karmaşıklıktan kaynaklanmamaktadır. fiziksel bilgi. Kuarkları, antikuarkları ve gluonları ve aralarında meydana gelen güçlü nükleer etkileşimleri tanımlamak için kullanılan denklemlerimiz var. Bu denklemlere kuantum renk dinamiğinden QCD adı verilir. Denklemlerin doğruluğu kontrol edilebilir Farklı yollar Büyük Hadron Çarpıştırıcısında görünen parçacıkların sayısının ölçülmesi de dahil. QCD denklemlerini bir bilgisayara bağlayarak ve protonların, nötronların ve diğer benzer parçacıkların (topluca "hadronlar" olarak adlandırılır) özellikleri üzerine hesaplamalar yaparak, bu parçacıkların özelliklerine ilişkin, gerçek dünyada yapılan gözlemlere çok yakın tahminler elde ederiz. Bu nedenle, QCD denklemlerinin yalan söylemediğine ve proton ve nötron hakkındaki bilgimizin doğru denklemlere dayandığına inanmak için nedenimiz var. Ancak sadece doğru denklemlere sahip olmak yeterli değildir çünkü:
- sen basit denklemlerçok ortaya çıkabilir karmaşık çözümler,
- Bazen karmaşık kararları basit bir şekilde anlatmak imkansızdır.
Nükleonların doğasında olan karmaşıklık nedeniyle okuyucu olarak siz bir seçim yapmak zorunda kalacaksınız: Tanımlanan karmaşıklık hakkında ne kadar bilgi edinmek istiyorsunuz? Ne kadar ileri giderseniz gidin, büyük olasılıkla sizi tatmin etmeyecektir: ne kadar çok öğrenirseniz konu o kadar netleşecektir, ancak nihai cevap aynı kalacaktır - proton ve nötron çok karmaşıktır. Size artan ayrıntılarla üç düzeyde anlayış sunabilirim; Herhangi bir seviyeden sonra durup diğer konulara geçebilirsiniz ya da son seviyeye kadar dalabilirsiniz. Her seviyede bir sonraki seviyede kısmen cevaplayabileceğim sorular ortaya çıkıyor, ancak yeni cevaplar yeni soruları doğuruyor. Sonuçta -meslektaşlarım ve ileri düzeydeki öğrencilerimle yaptığım profesyonel tartışmalarda olduğu gibi- sizi yalnızca gerçek deneylerde elde edilen verilere, çeşitli etkili teorik argümanlara ve bilgisayar simülasyonlarına yönlendirebilirim.
Birinci düzey anlayış
Protonlar ve nötronlar nelerden yapılmıştır?Pirinç. Şekil 1: yalnızca iki yukarı kuark ve bir aşağı kuarktan oluşan protonların ve yalnızca iki aşağı kuark ve bir yukarı kuarktan oluşan nötronların aşırı basitleştirilmiş bir versiyonu
Konuyu basitleştirmek için birçok kitap, makale ve web sitesi protonların üç kuarktan (iki yukarı kuark ve bir aşağı kuark) oluştuğunu belirtiyor ve Şekil 1'e benzer bir şey çiziyor. 1. Nötron aynıdır, yalnızca bir yukarı ve iki aşağı kuarktan oluşur. Bu basit görüntü, çoğunlukla 1960'larda bazı bilim adamlarının neye inandığını gösteriyor. Ancak çok geçmeden bu bakış açısının artık doğru olmadığı noktaya kadar aşırı basitleştirildiği anlaşıldı.
Daha gelişmiş bilgi kaynaklarından, protonların gluonlar tarafından bir arada tutulan üç kuarktan (ikisi yukarı, biri aşağı) oluştuğunu öğreneceksiniz ve Şekil 1'e benzer bir resim ortaya çıkabilir. 2, burada gluonlar kuarkları tutan yaylar veya sicimler olarak çizilir. Nötronlar aynıdır; yalnızca bir yukarı kuark ve iki aşağı kuark bulunur.
Pirinç. 2: iyileştirme şek. 1 vurgulandığı için önemli rol kuarkları protonda tutan güçlü nükleer kuvvet
Bu, nükleonları tanımlamanın o kadar da kötü bir yolu değil, çünkü gluonlar pahasına kuarkları bir protonda tutan güçlü nükleer kuvvetin önemli rolünü vurguluyor (tıpkı ışığı oluşturan parçacık olan fotonun nükleonlarla ilişkili olması gibi). elektromanyetik kuvvet). Ancak bu aynı zamanda kafa karıştırıcıdır çünkü aslında gluonların ne olduğunu veya ne yaptığını açıklamıyor.
Devam edip olayları benim yaptığım gibi tanımlamanın nedenleri var: Bir proton üç kuarktan (ikisi yukarı ve biri aşağı), bir grup gluondan ve bir yığın kuark-antikuark çiftinden (çoğunlukla yukarı ve aşağı kuarklardan oluşur, ancak birkaç tuhaf şey de var). Hepsi çok yüksek hızlarda (ışık hızına yaklaşan) ileri geri uçuyorlar; tüm bu set güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutuluyor. Bunu Şekil 2'de gösterdim. 3. Nötronlar yine aynıdır, ancak bir yukarı ve iki aşağı kuarka sahiptirler; Kimliğini değiştiren kuark bir okla gösterilmiştir.
Pirinç. Şekil 3: proton ve nötronların hala kusurlu olmasına rağmen daha gerçekçi temsili
Bu kuarklar, antikuarklar ve gluonlar sadece çılgınca ileri geri hareket etmekle kalmıyor, aynı zamanda birbirleriyle çarpışıyor ve parçacıkların yok olması (aynı türde bir kuark ile bir antikuarkın iki gluona ya da kusura dönüşmesi) gibi süreçlerle birbirlerine dönüşüyorlar. tam tersi) veya bir gluonun emilmesi ve yayılması (burada bir kuark ve bir gluon çarpışarak bir kuark ve iki gluon oluşturabilir veya tam tersi).
Bu üç açıklamanın ortak noktası nedir:
- Bir proton için iki yukarı kuark ve bir aşağı kuark (artı başka bir şey).
- Nötronun bir yukarı kuarkı ve iki aşağı kuarkı (artı başka bir şey daha) vardır.
- Nötronların "başka bir şey"i protonların "başka bir şey"iyle örtüşür. Yani nükleonlarda aynı “başka bir şey” var.
- Proton ve nötron arasındaki küçük kütle farkı, aşağı kuark ve yukarı kuarkın kütlelerindeki farklılıktan kaynaklanmaktadır.
- üst kuarklar için elektrik yükü 2/3 e'ye eşittir (burada e bir protonun yüküdür, -e bir elektronun yüküdür),
- alt kuarkların yükü -1/3e'dir,
- Gluonların yükü 0'dır,
- herhangi bir kuark ve ona karşılık gelen antikuarkın toplam yükü 0'dır (örneğin, bir antidown kuarkın yükü +1/3e'dir, dolayısıyla bir aşağı kuark ve bir aşağı kuarkın yükü –1/3 e +1/3 olacaktır) e = 0),
- protonun toplam elektrik yükü 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- nötronun toplam elektrik yükü 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0'dır.
- Nükleonun içinde ne kadar “başka bir şey” olduğu,
- orada ne işi var
- nükleonun kütlesi ve kütle enerjisi (E = mc 2, parçacık hareketsizken bile orada bulunan enerji) nereden gelir?
Pirinç. 1, kuarkların aslında bir nükleonun üçte biri olduğunu söylüyor; tıpkı bir proton veya nötronun helyum çekirdeğinin çeyreği veya karbon çekirdeğinin 1/12'si olması gibi. Bu resim doğru olsaydı, nükleondaki kuarklar nispeten yavaş hareket ederdi (ışıktan çok daha yavaş hızlarda) ve aralarında nispeten zayıf etkileşimler (her ne kadar onları yerinde tutan güçlü bir kuvvet olsa da) hareket ederdi. Bu durumda kuarkın kütlesi, yukarı ve aşağı, 0,3 GeV/c2 civarında, yani protonun kütlesinin yaklaşık üçte biri kadar olacaktır. Ancak bu basit imaj ve onun dayattığı fikirler tamamen yanlıştır.
Pirinç. 3. Protonun içinde ışığa yakın hızlarda koşuşturan parçacıklardan oluşan bir kazan olduğu konusunda tamamen farklı bir fikir veriyor. Bu parçacıklar birbirleriyle çarpışır ve bu çarpışmalarda bir kısmı yok olur, bir kısmı da yerlerinde oluşur. Gluonların kütlesi yoktur, üst kuarkların kütleleri 0,004 GeV/c2 civarındadır ve alt kuarkların kütleleri ise 0,008 GeV/c2 civarındadır; yani bir protondan yüzlerce kat daha azdır. Proton kütlesinin enerjisinin nereden geldiği karmaşık bir sorudur: Bir kısmı kuarkların ve antikuarkların kütlesinin enerjisinden, bir kısmı kuarkların, antikuarkların ve gluonların hareket enerjisinden ve bir kısmı da (muhtemelen pozitif, belki negatif) gelir. ) kuarkları, antikuarkları ve gluonları bir arada tutan güçlü nükleer etkileşimde depolanan enerjiden gelir.
Bir anlamda Şekil. Şekil 2 arasındaki farkı çözmeye çalışır. 1 ve Şek. 3. Şekli basitleştirir. 3, sürekli olarak ortaya çıkıp kayboldukları ve gerekli olmadıkları için prensipte geçici olarak adlandırılabilecek birçok kuark-antikuark çiftinin kaldırılması. Ancak nükleonlardaki gluonların, protonları bir arada tutan güçlü nükleer kuvvetin doğrudan bir parçası olduğu izlenimini veriyor. Ve protonun kütlesinin nereden geldiğini açıklamıyor.
İncirde. Şekil 1'de proton ve nötronun dar çerçevelerine ek olarak başka bir dezavantaj daha vardır. Pion ve rho meson gibi diğer hadronların bazı özelliklerini açıklamıyor. Şekil.'de de aynı sorunlar var. 2.
Bu kısıtlamalar öğrencilerime ve web siteme Şekil 2'deki resmi vermeme yol açtı. 3. Ancak sizi uyarmak isterim ki bunun da birçok sınırlaması var, bunları daha sonra tartışacağım.
Şekil 1'de ima edilen yapının aşırı karmaşıklığına dikkat etmek önemlidir. Güçlü nükleer kuvvet kadar güçlü bir kuvvet tarafından bir arada tutulan bir nesneden 3 beklenir. Ve bir şey daha: Bir kuark-antikuark çifti grubunun parçası olmayan üç kuark (bir proton için iki yukarı ve bir aşağı) genellikle "değerlik kuarklar" olarak adlandırılır ve kuark-antikuark çiftlerine "deniz" denir. kuark çiftleri”. Böyle bir dil birçok durumda teknik olarak uygundur. Ancak bu, bir protonun içine bakabilirseniz ve belirli bir kuarkı incelerseniz, onun denizin bir parçası mı yoksa değerlik bir kuark mı olduğunu hemen anlayabileceğiniz gibi yanlış bir izlenim veriyor. Bu yapılamaz, böyle bir yol yoktur.
Proton kütlesi ve nötron kütlesi
Proton ve nötronun kütleleri çok benzer olduğundan ve proton ve nötron yalnızca yukarı kuarkın aşağı kuarkla yer değiştirmesinde farklılık gösterdiğinden, kütlelerinin aynı şekilde sağlandığı, aynı kaynaktan geldiği muhtemel görünüyor. ve aralarındaki fark, yukarı ve aşağı kuarklar arasındaki küçük farktan kaynaklanmaktadır. Ancak yukarıdaki üç şekil, proton kütlesinin kökenine ilişkin birbirinden oldukça farklı üç görüşün varlığına işaret etmektedir.Pirinç. Şekil 1, yukarı ve aşağı kuarkların proton ve nötronun kütlesinin 1/3'ünü oluşturduğunu söylüyor: yaklaşık 0,313 GeV/c2 veya kuarkları protonda tutmak için gereken enerji nedeniyle. Ve bir proton ile bir nötronun kütleleri arasındaki fark yüzde birin kesirleri olduğundan, yukarı ve aşağı kuarkın kütleleri arasındaki farkın da yüzde birin kesirleri olması gerekir.
Pirinç. 2 daha az açıktır. Protonun kütlesinin ne kadarı gluonlardan kaynaklanmaktadır? Ancak prensipte, şekilden, proton kütlesinin çoğunun, Şekil 2'de olduğu gibi, hala kuarkların kütlesinden geldiği sonucu çıkmaktadır. 1.
Pirinç. Şekil 3, protonun kütlesinin gerçekte nasıl oluştuğuna ilişkin daha incelikli bir yaklaşımı yansıtmaktadır (protonun bilgisayar hesaplamaları aracılığıyla doğrudan ve diğer matematiksel yöntemleri kullanarak dolaylı olarak test edebildiğimiz gibi). Şekil 2'de sunulan fikirlerden çok farklıdır. 1 ve 2 ve o kadar basit olmadığı ortaya çıktı.
Bunun nasıl çalıştığını anlamak için protonun kütlesi m cinsinden değil, kütle enerjisi E = mc 2, yani kütleyle ilişkili enerji cinsinden düşünmeniz gerekir. Kavramsal olarak doğru soru"m proton kütlesi nereden geliyor" olmayacak, ardından m'yi c2 ile çarparak E'yi hesaplayabilirsiniz, bunun tersi de geçerli olacaktır: "E proton kütlesinin enerjisi nereden geliyor?" m kütlesini E'yi c 2'ye bölerek bulabilirsiniz.
Proton kütle enerjisine katkıları üç gruba ayırmak faydalıdır:
A) İçerdiği kuarkların ve antikuarkların (gluonlar, kütlesiz parçacıklar) kütle enerjisi (durgun enerji) herhangi bir katkı sağlamaz.
B) Kuarkların, antikuarkların ve gluonların hareket enerjisi (kinetik enerjisi).
C) Protonu tutan güçlü nükleer etkileşimde (daha kesin olarak gluon alanlarında) depolanan etkileşim enerjisi (bağlanma enerjisi veya potansiyel enerji).
Pirinç. 3, protonun içindeki parçacıkların yüksek hızda hareket ettiğini ve kütlesiz gluonlarla dolu olduğunu, dolayısıyla B)'nin katkısının A)'dan daha büyük olduğunu söylüyor. Tipik olarak çoğu fiziksel sistemde B) ve C) karşılaştırılabilirken, C) genellikle negatiftir. Dolayısıyla protonun (ve nötronun) kütle enerjisi esas olarak B) ve C) kombinasyonundan gelir ve A) küçük bir kesirle katkıda bulunur. Bu nedenle, proton ve nötronun kütleleri esas olarak içerdikleri parçacıkların kütleleri nedeniyle değil, bu parçacıkların hareket enerjileri ve parçacıkları tutan kuvvetleri oluşturan gluon alanlarıyla ilişkili etkileşimlerinin enerjisi nedeniyle ortaya çıkar. proton. Bildiğimiz diğer sistemlerin çoğunda enerji dengesi farklı şekilde dağıtılır. Örneğin atomlarda ve Güneş Sistemi A) baskındır ve B) ve C) çok daha küçüktür ve büyüklük olarak karşılaştırılabilir.
Özetlemek gerekirse şunu belirtiyoruz:
- Pirinç. Şekil 1, proton kütle enerjisinin A) katkısından geldiğini varsaymaktadır.
- Pirinç. Şekil 2'de A) ve B)'nin katkılarının önemli olduğu ve B)'nin küçük bir katkıda bulunduğu varsayılmaktadır.
- Pirinç. Şekil 3, B) ve C)'nin önemli olduğunu ve A)'nın katkısının önemsiz olduğunu ortaya koymaktadır.
Şek. 3 yalan söylemez, kuark ve antikuarkın kütleleri çok küçüktür. Gerçekten nasıllar? Üst kuarkın (aynı zamanda antikuarkın da) kütlesi 0,005 GeV/c2'yi aşmaz; bu, Şekil 2'den de anlaşılacağı üzere 0,313 GeV/c2'den çok daha azdır. 1. (Yukarı kuarkın kütlesinin ölçülmesi zordur ve ince etkiler nedeniyle değişiklik gösterir; dolayısıyla 0,005 GeV/c2'den çok daha az olabilir). Alt kuarkın kütlesi, üst kuarkın kütlesinden yaklaşık 0,004 GeV/s2 daha fazladır. Bu, herhangi bir kuarkın veya antikuarkın kütlesinin, bir protonun kütlesinin yüzde birini aşmadığı anlamına gelir.
Bunun (Şekil 1'in aksine) aşağı kuarkın yukarı kuark kütlesine oranının birliğe yaklaşmadığı anlamına geldiğine dikkat edin! Aşağı kuarkın kütlesi yukarı kuarkın kütlesinin en az iki katıdır. Nötron ve protonun kütlelerinin bu kadar benzer olmasının nedeni, yukarı ve aşağı kuarkların kütlelerinin benzer olması değil, yukarı ve aşağı kuarkların kütlelerinin çok küçük olması ve aralarındaki farkın küçük, göreceli olmasıdır. proton ve nötronun kütlelerine. Bir protonu nötrona dönüştürmek için yukarı kuarklarından birini aşağı kuarkla değiştirmeniz gerektiğini unutmayın (Şekil 3). Bu yer değiştirme, nötronun protondan biraz daha ağır olmasına ve yükünün +e'den 0'a değişmesine yeterlidir.
Bu arada, gerçek şu ki çeşitli parçacıklarİçerideki protonların birbiriyle çarpışması, sürekli görünüp kaybolması tartıştığımız şeyleri etkilemez; her çarpışmada enerji korunur. Kuarkların ve gluonların kütle enerjisi ve hareket enerjisi, etkileşimlerinin enerjisi gibi değişebilir, ancak içindeki her şey sürekli değişmesine rağmen protonun toplam enerjisi değişmez. Yani protonun kütlesi, iç girdabına rağmen sabit kalır.
Bu noktada durup alınan bilgiyi özümseyebilirsiniz. İnanılmaz! Sıradan maddenin içerdiği kütlenin neredeyse tamamı atomlardaki nükleonların kütlesinden gelir. Ve bu kütlenin büyük bir kısmı proton ve nötronun doğasında olan kaostan, nükleonlardaki kuarkların, gluonların ve antikuarkların hareket enerjisinden ve nükleonu tüm halinde tutan güçlü nükleer etkileşimlerin enerjisinden gelir. Evet: Gezegenimiz, bedenlerimiz, nefesimiz böylesi bir sessizliğin ve yakın zamana kadar hayal bile edilemeyecek bir kargaşanın sonucudur.
Atomların boyutları ve kütleleri küçüktür. Atomların yarıçapı 10-10 m ve çekirdeğin yarıçapı 10-15 m'dir. Bir atomun kütlesi, elementin bir mol atomunun kütlesinin 1 mol içindeki atom sayısına bölünmesiyle belirlenir. (NA = 6,02·10 23 mol-1). Atomların kütlesi 10 -27 ~ 10 -25 kg aralığında değişmektedir. Tipik olarak atomların kütlesi atomik kütle birimleri (amu) cinsinden ifade edilir. a.u.m. için Karbon izotopu 12C'nin bir atomunun kütlesinin 1/12'si alınır.
Bir atomun temel özellikleri çekirdeğinin yükü (Z) ve kütle numarasıdır (A). Bir atomdaki elektronların sayısı çekirdeğinin yüküne eşittir. Atomların özellikleri çekirdeklerinin yüküne, elektron sayısına ve atomdaki durumlarına göre belirlenir.
Çekirdeğin temel özellikleri ve yapısı (atom çekirdeğinin bileşimi teorisi)
1. Tüm elementlerin (hidrojen hariç) atom çekirdeği proton ve nötronlardan oluşur.
2. Çekirdekteki proton sayısı, pozitif yükünün (Z) değerini belirler. Z- Mendeleev'in periyodik sistemindeki kimyasal elementin seri numarası.
3. Bir atomun kütlesi esas olarak çekirdekte yoğunlaştığından (atomun kütlesinin %99,97'si) toplam proton ve nötron sayısı kütlesinin değeridir. Nükleer parçacıklara (protonlar ve nötronlar) toplu olarak denir. nükleonlar("çekirdek" anlamına gelen Latince çekirdek kelimesinden gelir). Toplam nükleon sayısı kütle numarasına karşılık gelir; en yakın tam sayıya yuvarlanır atom kütlesi A.
Aynı özelliklere sahip çekirdekler Z, ama farklı A arandı izotoplar. Aynı özelliklere sahip çekirdekler A farklı Z, arandı izobarlar. Toplamda, kimyasal elementlerin yaklaşık 300 kararlı izotopu ve 2000'den fazla doğal ve yapay olarak üretilmiş radyoaktif izotop bilinmektedir.
4. Çekirdekteki nötron sayısı N kütle numarası arasındaki farktan bulunabilir ( A) ve seri numarası ( Z):
5. Çekirdeğin boyutu karakterize edilir çekirdek yarıçapıÇekirdek sınırının bulanıklaşması nedeniyle koşullu bir anlamı olan.
Nükleer maddenin yoğunluğu 10.17 kg/m3 büyüklüğündedir ve tüm çekirdekler için sabittir. En yoğun sıradan maddelerin yoğunluklarını önemli ölçüde aşıyor.
Proton-nötron teorisi, atom çekirdeğinin bileşimi ve bunun atom numarası ve atom kütlesi ile ilişkisi hakkındaki fikirlerde daha önce ortaya çıkan çelişkileri çözmeyi mümkün kıldı.
Nükleer bağlanma enerjisi Bir çekirdeği kinetik enerji vermeden kendisini oluşturan nükleonlara bölmek için yapılması gereken iş miktarı ile belirlenir. Enerjinin korunumu yasasından, bir çekirdeğin oluşumu sırasında, çekirdeğin kendisini oluşturan nükleonlara bölünmesi sırasında harcanması gereken enerjinin aynısının salınması gerektiği sonucu çıkar. Bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, çekirdeği oluşturan tüm serbest nükleonların enerjisi ile çekirdekteki enerjileri arasındaki farktır.
Bir çekirdek oluştuğunda kütlesi azalır: Çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan nükleonların kütlelerinin toplamından daha azdır. Oluşumu sırasında çekirdeğin kütlesindeki azalma, bağlanma enerjisinin salınmasıyla açıklanır. Eğer K sv, bir çekirdeğin oluşumu sırasında açığa çıkan enerji miktarıdır, ardından karşılık gelen kütle Dm, şuna eşittir:
isminde kütle kusuru ve kendisini oluşturan nükleonlardan bir çekirdeğin oluşumu sırasında toplam kütledeki azalmayı karakterize eder. Bir atomik kütle birimi şuna karşılık gelir: atom enerjisi birimi(a.u.e.): a.u.e.=931.5016 MeV.
Spesifik nükleer bağlanma enerjisi w Nükleon başına bağlanma enerjisine denir: w sv= 
. Büyüklük w ortalama 8 MeV/nükleondur. Çekirdekteki nükleon sayısı arttıkça spesifik enerji bağlantılar azalıyor.
Atom çekirdeğinin stabilitesi için kriter belirli izobarlar için kararlı bir çekirdekteki proton ve nötron sayısı arasındaki orandır. ( A= sabit).
Nükleer kuvvetler
1. Nükleer etkileşim özel etkileşimlerin olduğunu gösterir nükleer kuvvetler klasik fizikte bilinen kuvvet türlerinin hiçbirine (yerçekimi ve elektromanyetik) indirgenemez.
2. Nükleer kuvvetler kısa menzilli kuvvetlerdir. Çekirdekte sadece 10-15 m civarındaki nükleonlar arasında çok küçük mesafelerde görünürler. Uzunluğu (1.5 x 2.2)10-15 m olarak adlandırılır. eylem aralığı nükleer kuvvetler .
3. Nükleer kuvvetler tespit edildi ücret bağımsızlığı: İki nükleon arasındaki çekim, nükleonların yük durumuna (proton veya nükleon) bakılmaksızın aynıdır. Nükleer kuvvetlerin yükten bağımsızlığı, bağlanma enerjilerinin karşılaştırılmasında açıkça görülmektedir. ayna çekirdekleri. Toplam nükleon sayısı aynı fakat birindeki proton sayısı diğerindeki nötron sayısına eşit olan çekirdeklere verilen addır. Örneğin helyum çekirdeği 
ağır hidrojen trityum - .
4. Nükleer kuvvetler, çekirdekteki bir nükleonun yalnızca kendisine en yakın sınırlı sayıda komşu nükleonla etkileşime girmesiyle kendini gösteren bir doygunluk özelliğine sahiptir. Bu nedenle çekirdeklerin bağlanma enerjilerinin kütle numaralarına (A) doğrusal bir bağımlılığı vardır. Çok kararlı bir oluşum olan a-parçacığında nükleer kuvvetlerin neredeyse tamamen doygunluğuna ulaşılır.
Radyoaktivite, g-radyasyon, a ve b - bozunma
1.Radyoaktivite temel parçacıkların, çekirdeklerin veya sert x-ışınlarının emisyonu ile birlikte, bir kimyasal elementin kararsız izotoplarının başka bir elementin izotoplarına dönüşümüdür. Doğal radyoaktivite doğal olarak oluşan kararsız izotoplarda gözlemlenen radyoaktivite denir. Yapay radyoaktivite nükleer reaksiyonlar sonucu elde edilen izotopların radyoaktivitesi denir.
2. Tipik olarak, her türlü radyoaktiviteye, gama radyasyonunun (sert, kısa dalga elektrik dalgası radyasyonu) emisyonu eşlik eder. Gama radyasyonu, radyoaktif dönüşümlerin uyarılmış ürünlerinin enerjisini azaltmanın ana şeklidir. Radyoaktif bozunuma uğrayan çekirdeğe denir anne; Ortaya çıkan yan kuruluşçekirdeğin kural olarak uyarıldığı ortaya çıkıyor ve temel duruma geçişine bir g-fotonun emisyonu eşlik ediyor.
3. Alfa bozunması belirli kimyasal elementlerin çekirdekleri tarafından a-partiküllerinin emisyonu olarak adlandırılır. Alfa bozunması kütle sayılarına sahip ağır çekirdeklerin bir özelliğidir A>200 ve nükleer yükler Z>82. Bu tür çekirdeklerin içinde, her biri iki proton ve iki nötrondan oluşan izole edilmiş a parçacıklarının oluşumu meydana gelir; Tabloda yer değiştiren bir elementin atomu oluşur periyodik tablo elementler D.I. Mendeleev (PSE) orijinal radyoaktif elementin solunda kütle numarası 4 birimden az olan iki hücre(Soddy-Faience kuralı): 
4. Beta bozunması terimi üç tür nükleer dönüşümü ifade eder: elektronik(bant pozitronik(b+) bozunumları ve elektronik yakalama.
b-bozunması ağırlıklı olarak nötronlar açısından nispeten zengin çekirdeklerde meydana gelir. Bu durumda çekirdeğin nötronu, sıfır yük ve kütleye sahip bir proton, elektron ve antinötrinoya () bozunur.
B bozunması sırasında toplam proton ve nötron sayısı korunduğu ve yük 1 arttığı için izotopun kütle numarası değişmez. Bu nedenle, Ortaya çıkan kimyasal elementin atomu, PSE tarafından orijinal elementten bir hücre sağa kaydırılır, ancak kütle numarası değişmez.(Soddy-Faience kuralı):
b+- bozunması ağırlıklı olarak nispeten proton bakımından zengin çekirdeklerde meydana gelir. Bu durumda çekirdeğin protonu bir nötron, pozitron ve nötrinoya () bozunur.
.
b+ bozunması sırasında toplam proton ve nötron sayısı korunduğu ve yük 1 azaldığı için izotopun kütle numarası değişmez. Dolayısıyla, Ortaya çıkan kimyasal elementin atomu, PSE tarafından orijinal elementten bir hücre sola kaydırılır, ancak kütle numarası değişmez.(Soddy-Faience kuralı):
5. Elektron yakalanması durumunda dönüşüm, çekirdeğe en yakın katmandaki elektronlardan birinin kaybolmasından oluşur. Bir nötrona dönüşen proton bir elektronu “yakalar”; “Elektronik yakalama” terimi buradan geliyor. b±-yakalamanın aksine elektronik yakalamaya karakteristik X-ışını radyasyonu eşlik eder.
6. b-bozunması hem doğal olarak radyoaktif hem de yapay olarak radyoaktif çekirdeklerde meydana gelir; b+ bozunumu yalnızca yapay radyoaktivite olgusunun karakteristik özelliğidir.
7. g-radyasyonu: uyarıldığında bir atomun çekirdeği yayar Elektromanyetik radyasyon kısa dalga boyuna sahip ve yüksek frekans X ışınlarından daha fazla sertliğe ve nüfuz etme gücüne sahiptir. Sonuç olarak çekirdeğin enerjisi azalır ancak çekirdeğin kütle numarası ve yükü değişmez. Bu nedenle bir kimyasal elementin diğerine dönüşümü gözlenmez ve atomun çekirdeği daha az uyarılmış bir duruma geçer.
Proton, hidrojen atomunun çekirdeği olan hadron sınıfından kararlı bir parçacıktır.
Hangi olayın protonun keşfi olarak kabul edilmesi gerektiğini söylemek zor: sonuçta bir hidrojen iyonu olarak uzun zamandır biliniyordu. E. Rutherford (1911) tarafından atomun gezegensel modelinin oluşturulması, izotopların keşfi (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) ve hidrojen çekirdeklerinin çekirdeklerden parçalanmasıyla gözlemlenmesi Alfa parçacıkları proton nitrojenin keşfinde rol oynamıştır (E. Rutherford, 1919). 1925'te P. Blackett, bir bulut odasındaki proton izlerinin ilk fotoğraflarını aldı (bkz. Nükleer Radyasyon Dedektörleri), bu da elementlerin yapay dönüşümünün keşfini doğruladı. Bu deneylerde β parçacığı, bir proton yayan ve oksijen izotopuna dönüşen bir nitrojen çekirdeği tarafından yakalandı.
Nötronlarla birlikte protonlar tüm kimyasal elementlerin atom çekirdeğini oluşturur ve çekirdekteki proton sayısı atom numarasını belirler. bu elementin. Bir protonun, temel yüke, yani elektron yükünün mutlak değerine eşit pozitif bir elektrik yükü vardır. Bu deneysel olarak 10-21 doğrulukla test edilmiştir. Proton kütlesi mp = (938,2796 ± 0,0027) MeV veya ~ 1,6-10-24 g, yani bir proton bir elektrondan 1836 kat daha ağırdır! Modern bakış açısına göre, proton gerçekten temel bir parçacık değildir: elektrik yükü +2/3 (temel yük birimleri cinsinden) olan iki u-kuark ve -1/3 elektrik yükü olan bir d-kuarktan oluşur. Kuarklar, diğer varsayımsal parçacıkların (gluonlar, güçlü etkileşimler taşıyan alanın kuantumu) değişimiyle birbirine bağlanır. Protonlar üzerindeki elektron saçılma süreçlerinin dikkate alındığı deneylerden elde edilen veriler aslında protonların içinde nokta saçılma merkezlerinin varlığını göstermektedir. Bu deneyler bir bakıma Rutherford'un atom çekirdeğinin keşfine yol açan deneylerine çok benziyor. Bileşik bir parçacık olan protonun ~ 10-13 cm'lik sonlu bir boyutu vardır, ancak elbette katı bir top olarak temsil edilemez. Aksine, proton, yaratılmış ve yok edici sanal parçacıklardan oluşan bulanık sınırları olan bir buluta benzer. Proton, tüm hadronlar gibi, bunların her birine katılır. temel etkileşimler. Bu yüzden. Güçlü etkileşimler çekirdeklerdeki protonları ve nötronları bağlar, elektromanyetik etkileşimler ise atomlardaki protonları ve elektronları bağlar. Zayıf etkileşimlerin örnekleri, bir nötronun beta bozunması veya bir protonun, bir pozitron ve nötrino emisyonu ile bir nötrona intranükleer dönüşümüdür (serbest bir proton için böyle bir süreç, enerjinin korunumu ve dönüşümü yasası nedeniyle imkansızdır, nötronun kütlesi biraz daha büyük olduğu için). Proton spini 1/2'dir. Yarım tamsayı spinli hadronlara baryon denir (Yunancada "ağır" anlamına gelen kelimeden gelir). Baryonlar proton, nötron, çeşitli hiperonlar (?, ?, ?, ?) ve çoğu henüz keşfedilmemiş yeni kuantum sayılarına sahip bir dizi parçacığı içerir. Baryonları karakterize etmek için özel bir sayı tanıtıldı - baryon yükü, baryonlar için 1'e, antibaryonlar için - 1 - ve diğer tüm parçacıklar için O -. Baryon yükü, baryon alanının kaynağı değildir; yalnızca parçacıklarla reaksiyonlarda gözlemlenen modelleri tanımlamak için tanıtılmıştır. Bu modeller baryon yükünün korunumu kanunu şeklinde ifade edilir: sistemdeki baryon ve antibaryon sayısı arasındaki fark herhangi bir reaksiyonda korunur. Baryon yükünün korunumu, baryonların en hafifi olduğu için protonun bozunmasını imkansız hale getirir. Bu yasa doğası gereği ampiriktir ve elbette deneysel olarak test edilmelidir. Baryon yükünün korunumu yasasının doğruluğu, ömrü için deneysel tahmin 1032 yıldan az olmayan bir değer veren protonun kararlılığı ile karakterize edilir.
Aynı zamanda, her türlü temel etkileşimi birleştiren teoriler, baryon yükünün bozulmasına ve protonun bozunmasına yol açan süreçleri öngörür. Bu tür teorilerde protonun ömrü pek kesin olarak belirtilmemiştir: yaklaşık 1032 ± 2 yıl. Bu süre çok büyük, Evrenin varlığından kat kat daha uzun (~ 2*1010 yıl). Bu nedenle proton pratik olarak kararlıdır ve bu da kimyasal elementlerin oluşumunu ve sonuçta ortaya çıkmasını mümkün kılmıştır. Zeki yaşam. Ancak proton bozunumunun araştırılması artık en önemli görevlerden biri. deneysel fizik. 100 m3 su hacminde (1 m3 ~ 1030 proton içerir) ~ 1032 yıllık proton ömrü ile yılda bir proton bozunması beklenmelidir. Geriye sadece bu çürümeyi kaydetmek kalıyor. Proton bozunmasının keşfi, doğadaki güçlerin birliğinin doğru anlaşılmasına yönelik önemli bir adım olacaktır.
Nötron, hadron sınıfına ait nötr bir parçacıktır. 1932'de İngiliz fizikçi J. Chadwick tarafından keşfedildi. Nötronlar protonlarla birlikte atom çekirdeğinin bir parçasıdır. Bir nötron qn'nin elektrik yükü sıfırdır. Bu, |qn|<10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.
Nötronlar yalnızca kararlı atom çekirdeklerinde kararlıdır. Serbest bir nötron, bir proton (p), elektron (e-) ve elektron antinötrinoya bozunan kararsız bir parçacıktır. Nötronun ömrü (917?14) saniyedir, yani yaklaşık 15 dakikadır. Maddede nötronlar, çekirdekler tarafından güçlü bir şekilde emilmeleri nedeniyle serbest formda daha da az bulunur. Bu nedenle doğada bulunurlar veya laboratuvarda ancak nükleer reaksiyonlar sonucu üretilirler.
Çeşitli nükleer reaksiyonların enerji dengesine dayanarak nötron ve proton kütleleri arasındaki fark belirlendi: mn-mp(1,29344 ±0,00007) MeV. Bunu proton kütlesiyle karşılaştırarak nötron kütlesini elde ederiz: mn = 939,5731 ± 0,0027 MeV; bu mn ~ 1.6-10-24'e karşılık gelir. Nötron her türlü temel etkileşime katılır. Güçlü etkileşimler atom çekirdeğindeki nötronları ve protonları bağlar. Zayıf etkileşime bir örnek, bir nötronun beta bozunmasıdır.
Bu nötr parçacık elektromanyetik etkileşimlere katılıyor mu? Nötron bir iç yapıya sahiptir ve genel nötrlükle birlikte, içinde özellikle nötronda manyetik bir momentin ortaya çıkmasına yol açan elektrik akımları vardır. Başka bir deyişle, manyetik alanda nötron pusula iğnesi gibi davranır. Bu onun elektromanyetik etkileşiminin sadece bir örneğidir. Üst sınırı elde edilen nötronun elektrik dipol momentinin araştırılması büyük ilgi gördü. Burada en etkili deneyler SSCB Bilimler Akademisi Leningrad Nükleer Fizik Enstitüsü'nden bilim adamları tarafından gerçekleştirildi; Nötron dipol momentinin araştırılması, mikro işlemlerde zamanın tersine çevrilmesi durumunda değişmezliğin ihlaline ilişkin mekanizmaların anlaşılması açısından önemlidir.
Nötronların yerçekimsel etkileşimleri doğrudan Dünya'nın yerçekimsel alanındaki oluşumlarından gözlemlendi.
Artık nötronların kinetik enerjilerine göre geleneksel bir sınıflandırması benimsenmiştir:
yavaş nötronlar (<105эВ, есть много их разновидностей),
hızlı nötronlar (105?108eV), yüksek enerji (> 108eV).
Ultrasoğuk nötronlar olarak adlandırılan çok yavaş nötronlar (10-7 eV) oldukça ilginç özelliklere sahiptir. Ultra soğuk nötronların "manyetik tuzaklarda" birikebileceği ve dönüşlerinin burada belirli bir yöne yönlendirilebileceği ortaya çıktı. Özel bir konfigürasyonun manyetik alanları kullanılarak, ultra soğuk nötronlar emici duvarlardan izole edilir ve bozunana kadar tuzakta "yaşayabilir". Bu, nötronların özelliklerini incelemek için birçok incelikli deneyin yapılmasına olanak tanır. Ultra soğuk nötronları depolamanın bir başka yöntemi, onların dalga özelliklerine dayanmaktadır. Bu tür nötronlar basitçe kapalı bir "kavanozda" saklanabilir. Bu fikir 1950'lerin sonlarında Sovyet fizikçi Ya. B. Zeldovich tarafından dile getirildi ve ilk sonuçlar neredeyse on yıl sonra Dubna'daki Nükleer Araştırma Enstitüsü'nde elde edildi.
Son zamanlarda bilim adamları, ultra soğuk nötronların doğal bozunmalarına kadar yaşadığı bir kap inşa etmeyi başardılar.
Serbest nötronlar atom çekirdekleriyle aktif olarak etkileşime girerek nükleer reaksiyonlara neden olabilir. Yavaş nötronların madde ile etkileşimi sonucunda rezonans etkileri, kristallerde kırınım saçılması vb. gözlemlenebilir. Bu özelliklerinden dolayı nötronlar nükleer fizikte ve katı hal fiziğinde yaygın olarak kullanılır. Nükleer enerjide, uranyum ötesi elementlerin ve radyoaktif izotopların üretiminde önemli bir rol oynarlar ve kimyasal analiz ve jeolojik keşiflerde pratik uygulama bulurlar.
Nötron nedir? Yapısı, özellikleri ve görevleri nelerdir? Nötronlar, tüm maddelerin yapı taşları olan atomları oluşturan parçacıkların en büyüğüdür.
Atomik yapı
Nötronlar, atomun yoğun bir bölgesi olan ve aynı zamanda protonlarla (pozitif yüklü parçacıklar) dolu olan çekirdekte bulunur. Bu iki element nükleer adı verilen bir kuvvet tarafından bir arada tutulur. Nötronların nötr yükü vardır. Nötr bir atom oluşturmak için protonun pozitif yükü elektronun negatif yüküyle eşleştirilir. Çekirdekteki nötronlar atomun yükünü etkilemese de radyoaktivite düzeyi de dahil olmak üzere atomu etkileyen birçok özelliğe sahiptir.
Nötronlar, izotoplar ve radyoaktivite
Atomun çekirdeğinde yer alan parçacık, protondan %0,2 daha büyük olan bir nötrondur. Birlikte aynı elementin toplam kütlesinin %99,99'unu oluştururlar ve farklı sayıda nötronlara sahip olabilirler. Bilim adamları atom kütlesinden bahsettiklerinde ortalama atom kütlesini kastediyorlar. Örneğin karbonun tipik olarak 6 nötronu ve 6 protonu vardır ve atom kütlesi 12'dir, ancak bazen atom kütlesi 13'tür (6 proton ve 7 nötron). Atom numarası 14 olan karbon da mevcuttur, ancak nadirdir. Yani karbonun atom kütlesinin ortalaması 12.011'dir.
Atomların nötron sayıları farklı olduğunda bunlara izotop denir. Bilim insanları daha büyük izotoplar oluşturmak için bu parçacıkları çekirdeğe eklemenin yollarını buldular. Artık nötronların eklenmesi atomun yükünü etkilemez çünkü yükleri yoktur. Ancak atomun radyoaktivitesini arttırırlar. Bu, yüksek düzeyde enerji boşaltabilen çok kararsız atomların ortaya çıkmasına neden olabilir.
Çekirdek nedir?
Kimyada çekirdek, proton ve nötronlardan oluşan bir atomun pozitif yüklü merkezidir. "Çekirdek" kelimesi, "fındık" veya "çekirdek" anlamına gelen kelimenin bir şekli olan Latince çekirdekten gelir. Terim, 1844 yılında Michael Faraday tarafından atomun merkezini tanımlamak için icat edildi. Çekirdeğin incelenmesi, bileşiminin ve özelliklerinin incelenmesiyle ilgili bilimlere nükleer fizik ve nükleer kimya denir.
Protonlar ve nötronlar güçlü nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulur. Elektronlar çekirdeğe çekilir, ancak o kadar hızlı hareket ederler ki dönüşleri atomun merkezinden belli bir mesafede gerçekleşir. Artı işaretli nükleer yük protonlardan gelir, peki nötron nedir? Bu elektrik yükü olmayan bir parçacıktır. Protonlar ve nötronlar elektronlardan çok daha fazla kütleye sahip olduğundan, bir atomun neredeyse tüm ağırlığı çekirdekte bulunur. Bir atom çekirdeğindeki protonların sayısı onun bir element olarak kimliğini belirler. Nötron sayısı, atomun elementin hangi izotopu olduğunu gösterir.
Atom çekirdeği boyutu
Çekirdek atomun genel çapından çok daha küçüktür çünkü elektronlar merkezden daha uzakta olabilir. Bir hidrojen atomu çekirdeğinden 145.000 kat, bir uranyum atomu ise merkezinden 23.000 kat daha büyüktür. Hidrojen çekirdeği tek bir protondan oluştuğu için en küçüktür.
Çekirdekteki proton ve nötronların dizilişi
Proton ve nötronlar genellikle bir arada paketlenmiş ve kürelere eşit şekilde dağılmış olarak tasvir edilir. Ancak bu, gerçek yapının basitleştirilmesidir. Her nükleon (proton veya nötron) belirli bir enerji seviyesini ve konum aralığını işgal edebilir. Çekirdek küresel olabileceği gibi armut şeklinde, küresel veya disk şeklinde de olabilir.
Proton ve nötronların çekirdekleri, kuark adı verilen en küçük parçalardan oluşan baryonlardır. Çekici kuvvetin menzili çok kısa olduğundan proton ve nötronların birbirine çok yakın olması gerekir. Bu güçlü çekim, yüklü protonların doğal itme kuvvetinin üstesinden gelir.
Proton, nötron ve elektron
Nükleer fizik gibi bir bilimin gelişmesinde güçlü bir itici güç, nötronun keşfiydi (1932). Bunun için Rutherford'un öğrencisi olan İngiliz fizikçiye teşekkür etmeliyiz. Nötron nedir? Bu, serbest durumdayken sadece 15 dakika içinde kütlesiz nötr parçacık olarak adlandırılan proton, elektron ve nötrinoya bozunabilen kararsız bir parçacıktır.
Parçacık adını elektrik yükü olmadığından, nötr olduğundan alır. Nötronlar son derece yoğundur. İzole bir durumda, bir nötronun kütlesi yalnızca 1,67·10 - 27 olacaktır ve eğer nötronlarla yoğun bir şekilde dolu bir çay kaşığı alırsanız, ortaya çıkan madde parçasının ağırlığı milyonlarca ton olacaktır.
Bir elementin çekirdeğindeki proton sayısına atom numarası denir. Bu sayı her öğeye benzersiz kimliğini verir. Karbon gibi bazı elementlerin atomlarında çekirdekteki proton sayısı her zaman aynıdır ancak nötron sayısı değişebilir. Belirli bir elementin çekirdeğinde belirli sayıda nötron bulunan atomuna izotop denir.
Tek nötronlar tehlikeli midir?
Nötron nedir? Bu protonla birlikte yer alan bir parçacıktır. Ancak bazen kendi başlarına da var olabilirler. Nötronlar atom çekirdeğinin dışında olduklarında potansiyel olarak tehlikeli özellikler kazanırlar. Yüksek hızlarda hareket ettiklerinde ölümcül radyasyon üretirler. İnsanları ve hayvanları öldürme yetenekleriyle bilinen nötron bombaları, cansız fiziksel yapılar üzerinde minimum etkiye sahiptir.
Nötronlar atomun çok önemli bir parçasıdır. Bu parçacıkların yüksek yoğunluğu, hızlarıyla birleştiğinde onlara aşırı yıkıcı güç ve enerji verir. Bunun sonucunda çarptıkları atomların çekirdeklerini değiştirebilir, hatta parçalayabilirler. Bir nötronun net nötr elektrik yükü olmasına rağmen, yük bakımından birbirini iptal eden yüklü bileşenlerden oluşur.
Atomdaki nötron çok küçük bir parçacıktır. Protonlar gibi onlar da elektron mikroskobuyla bile görülemeyecek kadar küçüktürler ama oradadırlar çünkü atomların davranışını açıklamanın tek yolu budur. Nötronlar bir atomun stabilitesi için çok önemlidir, ancak atom merkezinin dışında uzun süre var olamazlar ve ortalama olarak yalnızca 885 saniyede (yaklaşık 15 dakika) bozunurlar.
