يعرف الكثير من الناس جيدًا من المدرسة أن جميع المواد تتكون من ذرات. وتتكون الذرات بدورها من بروتونات ونيوترونات تشكل نواة الذرات والإلكترونات الموجودة على مسافة ما من النواة. لقد سمع الكثيرون أيضًا أن الضوء يتكون أيضًا من جسيمات - فوتونات. ومع ذلك، فإن عالم الجسيمات لا يقتصر على هذا. حتى الآن، تم التعرف على أكثر من 400 جسيم أولي مختلف. دعونا نحاول أن نفهم كيف تختلف الجسيمات الأولية عن بعضها البعض.

هناك العديد من العوامل التي يمكن من خلالها تمييز الجسيمات الأولية عن بعضها البعض:

• وزن.
• الشحنة الكهربائية.
• حياة. تمتلك جميع الجسيمات الأولية تقريبًا عمرًا محددًا، وبعد ذلك تتحلل.
• يلف. ويمكن اعتبارها، بشكل تقريبي، كلحظة دورانية.

المزيد من المعلمات، أو كما يطلق عليها عادة في علم الأعداد الكمومية. هذه المعلمات ليست واضحة دائمًا المعنى الجسديولكنها ضرورية لتمييز بعض الجزيئات عن غيرها. كل هذه خيارات إضافيةتم تقديمها على أنها بعض الكميات التي يتم حفظها في التفاعل.

تمتلك جميع الجسيمات تقريبًا كتلة، باستثناء الفوتونات والنيوترينوات (وفقًا لأحدث البيانات، تمتلك النيوترينوات كتلة، ولكنها صغيرة جدًا لدرجة أنها غالبًا ما تعتبر صفرًا). وبدون الكتلة لا يمكن للجسيمات أن توجد إلا في حالة حركة. جميع الجسيمات لها كتل مختلفة. يمتلك الإلكترون أصغر كتلة، باستثناء النيوترينو. تمتلك الجسيمات التي تسمى الميزونات كتلة أكبر بـ 300-400 مرة من كتلة الإلكترون، والبروتون والنيوترون أثقل بحوالي 2000 مرة من الإلكترون. تم الآن اكتشاف جسيمات أثقل من البروتون بحوالي 100 مرة. الكتلة (أو ما يعادلها من الطاقة حسب صيغة أينشتاين:

يتم الحفاظ عليه في جميع تفاعلات الجسيمات الأولية.

ليست كل الجسيمات لها شحنة كهربائية، مما يعني أنه ليست كل الجسيمات قادرة على المشاركة في التفاعل الكهرومغناطيسي. جميع الجسيمات الموجودة بحرية لها شحنة كهربائية مضاعفة لشحنة الإلكترون. بالإضافة إلى الجسيمات الموجودة بحرية، هناك أيضًا جزيئات في حالة مقيدة فقط، وسنتحدث عنها بعد قليل.

تدور مثل الآخرين عدد الكميةلأن الجزيئات المختلفة مختلفة وتميز تفردها. يتم حفظ بعض الأعداد الكمومية في بعض التفاعلات، وبعضها في تفاعلات أخرى. تحدد كل هذه الأرقام الكمومية أي الجسيمات تتفاعل معها وكيف.

وقت الحياة هو أيضا جدا خاصية مهمةالجسيمات وسننظر فيها بمزيد من التفصيل. لنبدأ بملاحظة. وكما قلنا في بداية المقال، فإن كل ما يحيط بنا يتكون من ذرات (إلكترونات وبروتونات ونيوترونات) وضوء (فوتونات). أين إذن المئات غيرهم؟ أنواع مختلفةالجسيمات الأولية. الجواب بسيط - في كل مكان حولنا، لكننا لا نلاحظه لسببين.

أولها هو أن جميع الجسيمات الأخرى تقريبًا تعيش لفترة قصيرة جدًا، تقريبًا 10 أس 10 أس ناقص ثانية أو أقل، وبالتالي لا تشكل هياكل مثل الذرات والشبكات البلورية وما إلى ذلك. أما السبب الثاني فيتعلق بالنيوترينوات؛ فبالرغم من أن هذه الجسيمات لا تضمحل، إلا أنها لا تخضع إلا للتفاعلات الضعيفة والجاذبية. وهذا يعني أن هذه الجسيمات تتفاعل بشكل ضئيل للغاية بحيث يكاد يكون من المستحيل اكتشافها.

دعونا نتصور مدى تفاعل الجسيم. على سبيل المثال، يمكن إيقاف تدفق الإلكترونات بواسطة صفيحة رقيقة إلى حد ما من الفولاذ، في حدود بضعة ملليمترات. سيحدث هذا لأن الإلكترونات ستبدأ على الفور في التفاعل مع جزيئات الصفائح الفولاذية، وتغير اتجاهها بشكل حاد، وتنبعث منها فوتونات، وبالتالي تفقد الطاقة بسرعة كبيرة. ليس هذا هو الحال مع تدفق النيوترينو، حيث يمكن أن يمر عبره دون أي تفاعلات تقريبًا. الكرة الأرضية. وبالتالي من الصعب جدًا اكتشافها.

لذلك، تعيش معظم الجسيمات لفترة قصيرة جدًا، وبعد ذلك تتفكك. اضمحلال الجسيمات هي التفاعلات الأكثر شيوعا. نتيجة للتحلل، ينقسم أحد الجسيمات إلى عدة جسيمات أخرى ذات كتلة أصغر، وهي بدورها تتحلل أكثر. كل الانحلال يطيع قواعد معينة– قوانين الحفظ . لذلك، على سبيل المثال، نتيجة للاضمحلال، يجب الحفاظ على الشحنة الكهربائية والكتلة واللف وعدد من الأعداد الكمومية الأخرى. قد تتغير بعض الأرقام الكمومية أثناء الاضمحلال، ولكنها تخضع أيضًا لقواعد معينة. إن قواعد الاضمحلال هي التي تخبرنا أن الإلكترون والبروتون جسيمات مستقرة. لم يعد بإمكانهم الاضمحلال خاضعين لقواعد الانحلال، وبالتالي فهم من ينهي سلاسل الانحلال.

هنا أود أن أقول بضع كلمات عن النيوترون. ويتحلل النيوترون الحر أيضًا إلى بروتون وإلكترون في حوالي 15 دقيقة. ومع ذلك، فإن هذا لا يحدث عندما يكون النيوترون في نواة الذرة. يمكن تفسير هذه الحقيقة طرق مختلفة. على سبيل المثال، عندما يظهر إلكترون وبروتون إضافي من نيوترون متحلل في نواة الذرة، يحدث رد فعل عكسي على الفور - يمتص أحد البروتونات إلكترونًا ويتحول إلى نيوترون. هذه الصورة تسمى التوازن الديناميكي. وقد لوحظ في الكون في مرحلة مبكرة من تطوره، بعد وقت قصير من الانفجار الأعظم.

بالإضافة إلى تفاعلات الاضمحلال، هناك أيضًا تفاعلات تشتت - عندما يتفاعل جسيمان أو أكثر في وقت واحد، ونتيجة لذلك يتم الحصول على جسيم آخر أو أكثر. هناك أيضًا تفاعلات امتصاص، عندما ينتج جسيمان أو أكثر جسيمًا واحدًا. تحدث جميع التفاعلات نتيجة لتفاعلات قوية ضعيفة أو كهرومغناطيسية. ردود الفعل الناتجة عن التفاعل القوي هي الأسرع، ويمكن أن يصل وقت هذا التفاعل إلى 10 ناقص 20 ثانية. تكون سرعة التفاعلات التي تحدث بسبب التفاعل الكهرومغناطيسي أقل، ويمكن أن يكون الوقت هنا حوالي 10 ناقص 8 ثوانٍ. وفي التفاعلات الضعيفة يمكن أن يصل الزمن إلى عشرات الثواني وأحيانا سنوات.

في نهاية القصة عن الجسيمات، دعونا نتحدث عن الكواركات. الكواركات هي جسيمات أولية لها شحنة كهربائية تعادل ثلث شحنة الإلكترون ولا يمكن أن توجد في حالة حرة. يتم ترتيب تفاعلهم بطريقة لا يمكنهم العيش إلا كجزء من شيء ما. على سبيل المثال، مزيج من ثلاثة كواركات من نوع معين يشكل بروتونًا. مزيج آخر ينتج النيوترون. إجمالي 6 كواركات معروفة. مجموعاتها المختلفة تعطينا جسيمات مختلفة، وعلى الرغم من أن القوانين الفيزيائية لا تسمح بجميع مجموعات الكواركات، إلا أن هناك الكثير من الجسيمات المكونة من الكواركات.

وهنا قد يطرح السؤال: كيف يمكن تسمية البروتون بأنه أولي إذا كان يتكون من كواركات؟ الأمر بسيط للغاية - البروتون عنصر أساسي، لأنه لا يمكن تقسيمه إلى الأجزاء المكونة له - الكواركات. جميع الجسيمات التي تشارك في التفاعل القوي تتكون من كواركات، وهي في نفس الوقت أولية.

إن فهم تفاعلات الجسيمات الأولية مهم جدًا لفهم بنية الكون. كل ما يحدث للأجسام الكبيرة هو نتيجة تفاعل الجزيئات. إن تفاعل الجزيئات هو الذي يصف نمو الأشجار على الأرض، وردود الفعل داخل النجوم، والإشعاع الصادر عن النجوم النيوترونية، وغير ذلك الكثير.

نيوترون(ن) (من اللاتينية محايد - لا هذا ولا ذاك) - الجسيمات الأوليةمع صفر الكهربائية الشحنة والكتلة أكبر بقليل من كتلة البروتون. جنبا إلى جنب مع البروتون تحت الاسم العام. النيوكليون هو جزء من النوى الذرية. H. لديه دوران 1/2 وبالتالي يطيع إحصائيات فيرمي - ديراك(هو فرميون). ينتمي إلى العائلة أدرا-نوف؛لديه رقم الباريون ب= 1، أي: منضم إلى المجموعة الباريونات.

تم اكتشافه في عام 1932 من قبل ج. تشادويك، الذي أظهر أن الإشعاع القوي المخترق الناتج عن قصف نوى البريليوم بواسطة جسيمات ألفا يتكون من جسيمات محايدة كهربائيًا بكتلة تساوي تقريبًا كتلة البروتون. في عام 1932، طرح D. D. Ivanenko وW. Heisenberg فرضية مفادها أن النوى الذرية تتكون من بروتونات وH. على عكس الشحنات. الجسيمات، H. تخترق النوى بسهولة بأي طاقة ومن المحتمل جدًا أن تسبب ذلك التفاعلات النوويةالتقاط (ن،ز)، (ن،أ)، (ن، ع)، إذا كان توازن الطاقة في التفاعل إيجابيا. احتمال الطاردة للحرارة يزداد مع تباطؤ H. يتناسب عكسيا. سرعتها. تم اكتشاف زيادة في احتمال تفاعلات التقاط H. عندما يتم إبطاؤها في الوسائط المحتوية على الهيدروجين بواسطة E. Fermi وزملائه في عام 1934. وقد اكتشف O. قدرة H. على التسبب في انشطار النوى الثقيلة. هان و ف. ستراسمان (ف. ستراسمان) في عام 1938 (انظر. الانشطار النووي)، كان بمثابة الأساس للخلق أسلحة نوويةو . خصوصية التفاعل مع مادة النيوترونات البطيئة، والتي لها طول موجة دي برولي حسب المسافات الذرية (تأثيرات الرنين، الحيود، وما إلى ذلك)، بمثابة الأساس للاستخدام الواسع النطاق لحزم النيوترونات في فيزياء الحالة الصلبة. (تصنيف H. حسب الطاقات - سريع، بطيء، حراري، بارد، شديد البرودة - انظر الفن. فيزياء النيوترونات.)

في الحالة الحرة، يكون H. غير مستقر - فهو يخضع لتحلل B؛ ن ع + ه - + الخامس ه; عمرها t n = 898(14) ثانية، الطاقة المحددة لطيف الإلكترون هي 782 كيلو إلكترون فولت (انظر. اضمحلال بيتا النيوتروني). في الحالة المقيدة كجزء من نوى مستقرة، يكون H. مستقرًا (وفقًا للتقديرات التجريبية، يتجاوز عمره 10 32 عامًا). وفقا للنجم. تشير التقديرات إلى أن 15% من المادة المرئية في الكون ممثلة بـ H.، وهو جزء من أنوية 4 He. ح. هو الرئيسي عنصر النجوم النيوترونية. تتشكل H. الحرة في الطبيعة في التفاعلات النووية الناجمة عن جسيمات الاضمحلال الإشعاعي، الأشعة الكونيةونتيجة للانشطار التلقائي أو القسري للنوى الثقيلة. فن. مصادر H. هي المفاعلات النووية، التفجيرات النوويةومسرعات البروتونات (بمتوسط ​​طاقة) والإلكترونات ذات الأهداف المصنوعة من العناصر الثقيلة. تعتبر مصادر أشعة H. أحادية اللون ذات طاقة 14 ميجا فولت منخفضة الطاقة. مسرعات الديوترون مع هدف التريتيوم أو الليثيوم، وفي المستقبل، قد تصبح المنشآت النووية الحرارية النووية مصادر مكثفة لمثل هذه H. (سم. .)

الخصائص الرئيسية لـ H.

قداس ح. ر ع = 939.5731(27) MeV/s 2 = = 1.008664967(34) عند. وحدات الكتلة 1.675. 10 -24 جم تم قياس الفرق بين كتلتي H. والبروتون من الحد الأقصى. الدقة من الطاقة توازن تفاعل H. التقاط بواسطة بروتون: n + p d + g (g-الطاقة الكمية = 2.22 MeV)، من- مع = 1.293323 (16) MeV/c 2 .

الشحنة الكهربائية ح. سن = 0. القياسات المباشرة الأكثر دقة س n يتم تصنيعها عن طريق تحويل حزم H. الباردة أو شديدة البرودة إلى إلكتروستاتيكية. مجال: سن<= 3·10 -21 ها- شحنة الإلكترون). كوسف. البيانات الكهربائية الحياد العياني. كمية الغاز التي يعطونها Qn<= 2·10 -22 ه.

سبين ه. جتم تحديد = 1/2 من التجارب المباشرة على تقسيم شعاع H في مجال مغناطيسي غير متجانس. الحقل إلى مكونين [في الحالة العامة، يكون عدد المكونات يساوي (2 ج + 1)].

ثابت وصف هيكل الهادرونات على أساس الحديث نظرية التفاعل القوي الديناميكا اللونية الكمومية- أثناء اللقاء النظري. ولكن الصعوبات بالنسبة للكثيرين سوف يفي بالمهام بالكامل. يتم إعطاء النتائج من خلال وصف تفاعل النيوكليونات، ممثلة ككائنات أولية، من خلال تبادل الميزونات. دعونا نجرب. استكشاف المساحات. يتم تنفيذ بنية H. باستخدام تشتت اللبتونات عالية الطاقة (الإلكترونات والميونات والنيوترينوات، والتي تعتبر في النظرية الحديثة جسيمات نقطية) على الديوترونات. يتم قياس مساهمة التشتت على البروتون بالعمق. تجربة ويمكن طرحها باستخدام التعريف. سوف يحسب. إجراءات.

إن نثر الإلكترون المرن وشبه المرن (مع تقسيم الديوترون) على الديوترون يجعل من الممكن العثور على توزيع الكثافة الكهربائية. الشحنة والمغناطيسية لحظة ح.( شكل عاملح.). وفقا للتجربة، توزيع الكثافة المغناطيسية. لحظة H. بدقة ترتيب عدة. في المئة يتزامن مع توزيع الكثافة الكهربائية. شحنة البروتون ولها جذر متوسط ​​مربع نصف قطرها ~0.8 · 10 -13 سم (0.8 فهرنهايت). ماجن. يتم وصف عامل الشكل H. بشكل جيد بما يسمى. ثنائي القطب و-لوي جي إمن = م ن (1 + س 2 /0.71) -2 حيث س 2 - مربع الزخم المنقول بوحدات (GeV/c) 2.

هناك سؤال أكثر تعقيدًا يتعلق بمقدار التيار الكهربائي. (الشحن) عامل الشكل H. جي إين. من تجارب تشتت الديوترون يمكننا أن نستنتج ذلك جي إين ( س 2 ) <= 0.1 في فاصل مربعات النبضات المرسلة (0-1) (GeV/c) 2. في س 2 0 بسبب المساواة مع صفر كهربائي. تهمة ح. جي إين- > 0، ومع ذلك، يمكن تحديدها تجريبيا دي جي إين ( س 2 )/دق 2 | س 2=0 . هذه القيمة هي الحد الأقصى. وجدت بالضبط من القياسات أطوال متناثرةح. على الغلاف الإلكتروني للذرات الثقيلة. أساسي يتم تحديد جزء من هذا التفاعل بواسطة المجال المغناطيسي. لحظة H. ماكس. التجارب الدقيقة تعطي طول التشتت أني = -1.378(18) . 10 -16 سم، وهي تختلف عن القيمة المحسوبة التي يحددها المجال المغناطيسي. اللحظة ح.: أني = -1.468. 10 -16 سم والفرق بين هذه القيم يعطي متوسط ​​المربع الكهربائي. نصف القطر ح.<ص 2 هن >= = 0.088(12) ملف دي جي إين ( س 2)/dq 2 | س 2=0 = -0.02 ف 2 . لا يمكن اعتبار هذه الأرقام نهائية بسبب التشتت الكبير للبيانات والتحلل. تجارب تتجاوز الأخطاء المبلغ عنها.

من سمات تفاعل H. مع معظم النوى أنها إيجابية. طول التشتت، مما يؤدي إلى معامل. الانكسار< 1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. При скорости u < (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах (напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства (см. البصريات النيوترونية).

ح. والتفاعل الضعيف (الكهربي).. مصدر مهم للمعلومات حول التفاعل الكهروضعيف هو الاضمحلال b للـ H الحر. على مستوى الكوارك، تتوافق هذه العملية مع التحول. تسمى عملية التفاعل العكسي بين الإلكترون والبروتون. عكس ب- الاضمحلال. تشمل هذه الفئة من العمليات التقاط الإلكترونية، تجري في النوى، إعادة ن الخامسه.

اضمحلال H. الحر مع مراعاة الحركية. يتم وصف المعلمات بواسطة ثوابتين - المتجه جي في، والذي يرجع إلى ناقلات الحفظ الحاليةالكون. ثابت التفاعل الضعيف، والمتجه المحوري جي أ، يتم تحديد قيمة القطع من خلال ديناميكيات المكونات المتفاعلة بقوة مع النيوكليونات - الكواركات والجلونات. الدوال الموجية للبروتون الأولي والبروتون النهائي وعنصر المصفوفة للانتقال n p بسبب النظائر. يتم حساب الثوابت بدقة تامة. ونتيجة لذلك، حساب الثوابت جي فيو جي أمن انحلال H. الحر (على عكس الحسابات من اضمحلال النواة b) لا يرتبط بمراعاة العوامل الهيكلية النووية.

عمر H. دون مراعاة بعض التصحيحات يساوي: t n = كلغ 2 الخامس+ 3ز 2 أ) -1 حيث كيتضمن الحركية العوامل وتصحيحات كولوم اعتمادا على الطاقة الحدودية للتحلل b و تصحيحات الإشعاع.

احتمال تسوس المستقطب. ح. مع الدوران س والطاقات وعزم الإلكترون ومضادات النيوترينو و ر e، يتم وصفه بشكل عام بالتعبير:

كوف. الارتباطات أ، أ، ب، ديمكن تمثيلها كدالة من المعلمة أ = (جي أ/جي في,)إكسب( أنا F). تختلف المرحلة f عن الصفر أو p if ت-الثوابت مكسورة. في الجدول يتم إعطاء البيانات التجريبية. قيم هذه المعاملات. والمعاني الناتجة أو و.

هناك فرق ملحوظ بين هذه البيانات. تجارب لـ t n، حيث وصلت إلى عدة. نسبه مئويه.

يعد وصف التفاعل الكهروضعيف الذي يتضمن H. عند الطاقات الأعلى أكثر تعقيدًا نظرًا للحاجة إلى مراعاة بنية النيوكليونات. على سبيل المثال، m - -capture، m - p n الخامسيوصف m بما لا يقل عن ضعف عدد الثوابت. يواجه H. أيضًا تفاعلًا كهربائيًا ضعيفًا مع هادرونات أخرى دون مشاركة اللبتونات. وتشمل هذه العمليات ما يلي.

1) اضمحلال الهايبرون L np 0، S + np +، S - np -، إلخ. الاحتمال المنخفض لهذه الاضمحلالات هو عدة. مرات أقل من الجسيمات غير الغريبة، والتي يتم وصفها من خلال إدخال زاوية كابيبو (انظر. ركن كابيبو).

2) التفاعل الضعيف n - n أو n - p والذي يتجلى في صورة قوى نووية لا تحافظ على الفضاء. التكافؤالحجم المعتاد للتأثيرات الناجمة عنها هو في حدود 10 -6 -10 -7.

تفاعل H. مع النوى المتوسطة والثقيلة له عدد من الميزات، مما يؤدي في بعض الحالات إلى يعني. تعزيز الآثار عدم حفظ التكافؤ في النوى. ويرتبط أحد هذه الآثار. الفرق في مقطع الامتصاص لـ H. c في اتجاه الانتشار وضده، الحواف في حالة النواة 139 La تساوي 7% عند = 1.33 فولت، الموافق لـ ر- الرنين النيوتروني الموجي. سبب الزيادة هو مزيج من الطاقة المنخفضة. عرض حالات النواة المركبة والكثافة العالية للمستويات ذات التكافؤات المعاكسة في هذه النواة المركبة، مما يوفر خلطًا أكبر بمقدار 2-3 أوامر من حيث الحجم للمكونات ذات التكافؤات المختلفة مقارنة بحالات النوى المنخفضة. والنتيجة هي عدد من التأثيرات: عدم تناسق انبعاث الكميات الجزيئية بالنسبة إلى دوران المستقطبات الملتقطة. H. في التفاعل (ن، ز)، عدم تناسق انبعاث الشحنة. الجسيمات أثناء تحلل الحالات المركبة في التفاعل (n، p) أو عدم تناسق انبعاث شظية انشطارية خفيفة (أو ثقيلة) في التفاعل (n، F). تبلغ قيمة عدم التماثل 10 -4 -10 -3 عند الطاقة الحرارية H. V ر-يتم تحقيق رنين النيوترونات الموجية بالإضافة إلى ذلك. التعزيز المرتبط بقمع احتمالية تكوين مكون يحافظ على التكافؤ في هذه الحالة المركبة (بسبب عرض النيوترونات الصغير ر-الرنين) بالنسبة لعنصر النجاسة مع التكافؤ المعاكس، وهو س-رنين سوم. إنه مزيج من عدة. تسمح عوامل التضخيم بظهور تأثير ضعيف للغاية من خلال خاصية الحجم المميزة للتفاعل النووي.

التفاعلات مع انتهاك رقم الباريون. نظري عارضات ازياء التوحيد الكبيرو التوحيد الفائقالتنبؤ بعدم استقرار الباريونات - اضمحلالها إلى لبتونات وميزونات. يمكن ملاحظة هذه التحللات فقط بالنسبة لأخف الباريونات - p وn، والتي تعد جزءًا من النوى الذرية. للتفاعل مع التغير في رقم الباريون بمقدار 1، D ب= 1، يمكن للمرء أن يتوقع تحولاً من النوع H: n e + p - أو تحولاً مع انبعاث ميزونات غريبة. تم البحث عن عمليات من هذا النوع في تجارب باستخدام أجهزة كشف تحت الأرض ذات كتلة متعددة. ألف طن. بناءً على هذه التجارب، يمكننا أن نستنتج أن زمن اضمحلال H. مع انتهاك رقم الباريون هو أكثر من 10 32 سنة.

دكتور. نوع التفاعل المحتمل مع D في= 2 يمكن أن يؤدي إلى ظاهرة التحويل البيني لـ H. و النيوترونات المضادةفي الفراغ، أي في التذبذب . في ظل غياب خارجي الحقول أو عند حجمها المنخفض، تتدهور حالات H. والنيوترون المضاد، نظرًا لأن كتلتهما متماثلة، وبالتالي يمكن حتى للتفاعل الضعيف للغاية مزجهما. معيار الخارجية الصغيرة الحقول هي صغر طاقة التفاعل المغناطيسية. لحظة H. مع المغناطيس. المجال (n و n ~ لهما لحظات مغناطيسية ذات إشارة معاكسة) مقارنة بالطاقة المحددة بمرور الوقت تالملاحظات H. (حسب علاقة عدم اليقين)، D<=hT-1 . عند ملاحظة إنتاج النيوترونات المضادة في شعاع H من مفاعل أو مصدر آخر تهو وقت الرحلة H. إلى الكاشف. يزداد عدد النيوترونات المضادة في الحزمة بشكل تربيعي مع زيادة زمن الرحلة: /نن ~ ~ (ت/t osc) 2، حيث t osc هو وقت التذبذب.

التجارب المباشرة لمراقبة إنتاج حزم H. الباردة من مفاعل عالي التدفق تعطي حدودًا لـ tosc > 10 7 s. في التجارب الجاري إعدادها، يمكن للمرء أن يتوقع زيادة في الحساسية لمستوى tosc ~ 10 9 ثانية. الظروف المقيدة هي الحد الأقصى. شدة أشعة H. ومحاكاة ظواهر النيوترونات المضادة في الكاشف الكوني. أشعة.

دكتور. طريقة مراقبة التذبذبات - مراقبة فناء النيوترونات المضادة، التي يمكن أن تتشكل في نوى مستقرة. علاوة على ذلك، وبسبب الاختلاف الكبير بين طاقات التفاعل للنيوترون المضاد الناشئ في النواة وطاقة الربط H. eff. يصبح وقت المراقبة ~ 10 -22 ثانية، لكن العدد الكبير من النوى المرصودة (~ 10 32) يعوض جزئيًا عن الانخفاض في الحساسية مقارنةً بالتجربة على حزم H. من بيانات التجارب تحت الأرض التي تبحث عن اضمحلال البروتون، فإن الغياب يمكن استنتاج الأحداث التي تحتوي على طاقة تبلغ ~ 2 GeV مع قدر معين من عدم اليقين، اعتمادًا على الجهل بالنوع الدقيق لتفاعل النيوترون المضاد داخل النواة، والذي tosc > (1-3). 10 7 ص. مخلوقات إن الزيادة في حد tosc في هذه التجارب تعوقها الخلفية الناتجة عن تفاعل الجسيمات الكونية. النيوترينوات ذات النوى في أجهزة الكشف تحت الأرض.

وتجدر الإشارة إلى أن البحث عن اضمحلال النيوكليونات باستخدام D ب= 1 والبحث عن -التذبذبات هي تجارب مستقلة، لأنها ناتجة عن اختلافات جوهرية أنواع التفاعلات.

تفاعل الجاذبية ح. النيوترون هو أحد الجسيمات الأولية القليلة التي تقع في الجاذبية. يمكن ملاحظة مجال الأرض تجريبيا. يتم إجراء القياس المباشر لـ H. بدقة 0.3٪ ولا يختلف عن القياس العياني. ولا تزال مسألة الامتثال ذات صلة مبدأ التكافؤ(المساواة في كتل القصور الذاتي والجاذبية) لـ H. والبروتونات.

تم إجراء التجارب الأكثر دقة باستخدام طريقة الوزن Et للأجسام ذات المتوسطات المختلفة. قيم النسبة أ/ي، أين أ- في. رقم، ز- شحنة النوى (بوحدات الشحنة الأولية ه). ويستنتج من هذه التجارب أن تسارع الجاذبية لكل من H. والبروتونات متطابق عند المستوى 2·10 -9، وتساوي الجاذبية. والكتل الخاملة عند مستوى ~10 -12.

جاذبية يتم استخدام التسارع والتباطؤ على نطاق واسع في تجارب البرودة الفائقة H. تطبيق الجاذبية. يسمح مقياس انكسار H. البارد والفائق البرودة بقياس أطوال التشتت المتماسك لـ H. على المادة بدقة كبيرة.

ح. في علم الكونيات والفيزياء الفلكية

حسب الحديث الأفكار، في نموذج الكون الساخن (انظر. نظرية الكون الساخن) يحدث تكوين الباريونات، بما في ذلك البروتونات والهيدروجين، في الدقائق الأولى من حياة الكون. بعد ذلك، جزء معين من H.، الذي لم يكن لديه وقت للتحلل، يتم التقاطه بواسطة البروتونات بتكوين 4 He. وتبلغ نسبة الهيدروجين و4 هو 70% إلى 30% بالوزن. أثناء تكوين النجوم وتطورها، كذلك التخليق النوويوصولا إلى نوى الحديد. ويحدث تكوين النوى الأثقل نتيجة انفجارات السوبرنوفا مع ولادة النجوم النيوترونية، مما يخلق إمكانية حدوثها بشكل متتالي. التقاط H. بواسطة النويدات. في هذه الحالة، الجمع بين ما يسمى. س- العملية - التقاط بطيء لـ H. مع اضمحلال b بين عمليات الالتقاط المتعاقبة و ص-العملية - تسلسلية سريعة. التقاط خلال انفجارات النجوم بشكل رئيسي. قد يفسر الملاحظة انتشار العناصرفي الفضاء أشياء.

في المكون الأساسي للكونية من المحتمل أن تكون الأشعة H. غائبة بسبب عدم استقرارها. ح، تشكلت على سطح الأرض، وانتشرت في الفضاء. يبدو أن الفضاء وتلك المتحللة هناك تساهم في تكوين مكونات الإلكترون والبروتون أحزمة الإشعاعأرض.

أشعل.:جورفيتش آي إس، تاراسوف إل فيزياء النيوترونات منخفضة الطاقة، إم، 1965؛ ألكسندروف يو أ. الخصائص الأساسية للنيوترون، الطبعة الثانية، م.، 1982.

البروتون هو جسيم مستقر من فئة الهادرونات، نواة ذرة الهيدروجين.

من الصعب تحديد الحدث الذي يجب اعتباره اكتشاف البروتون: فهو معروف منذ زمن طويل كأيون الهيدروجين. إنشاء نموذج كوكبي للذرة بواسطة إ. رذرفورد (1911)، واكتشاف النظائر (ف. سودي، ج. طومسون، ف. أستون، 1906-1919)، ومراقبة نوى الهيدروجين التي تم إخراجها من النوى بواسطة لعبت جسيمات ألفا دورًا في اكتشاف نيتروجين البروتون (E. Rutherford, 1919). في عام 1925، تلقى ب. بلاكيت الصور الأولى لآثار البروتون في غرفة السحاب (انظر أجهزة الكشف عن الإشعاع النووي)، مما يؤكد اكتشاف التحول الاصطناعي للعناصر. في هذه التجارب، تم التقاط جسيم بيتا بواسطة نواة النيتروجين، التي أصدرت بروتونًا وتحولت إلى نظير أكسجين.

تشكل البروتونات مع النيوترونات النوى الذرية لجميع العناصر الكيميائية، ويحدد عدد البروتونات في النواة العدد الذري لعنصر معين. يمتلك البروتون شحنة كهربائية موجبة تساوي الشحنة الأولية، أي القيمة المطلقة لشحنة الإلكترون. وقد تم اختبار ذلك تجريبياً بدقة 10-21. كتلة البروتون mp = (938.2796 ± 0.0027) MeV أو ~ 1.6-10-24 جم، أي أن البروتون أثقل من الإلكترون بـ 1836 مرة! من وجهة نظر حديثة، البروتون ليس جسيمًا أوليًا حقًا: فهو يتكون من كواركين u بشحنة كهربائية +2/3 (بوحدات الشحنة الأولية) وكوارك d بشحنة كهربائية -1/3. ترتبط الكواركات ببعضها البعض من خلال تبادل الجسيمات الافتراضية الأخرى - الجلونات، وكمات المجال الذي يحمل تفاعلات قوية. تشير البيانات المستمدة من التجارب التي تم فيها النظر في عمليات تشتت الإلكترون على البروتونات بالفعل إلى وجود مراكز تشتت نقطية داخل البروتونات. وهذه التجارب تشبه إلى حد ما تجارب رذرفورد التي أدت إلى اكتشاف النواة الذرية. نظرًا لكونه جسيمًا مركبًا، فإن حجم البروتون محدود يصل إلى 10-13 سم تقريبًا، على الرغم من أنه لا يمكن تمثيله ككرة صلبة بالطبع. إن البروتون يشبه سحابة ذات حدود غامضة، تتألف من جسيمات افتراضية مخلوقة ومفنية. ويشارك البروتون، مثله كمثل كل الهادرونات، في كل من التفاعلات الأساسية. لذا. التفاعلات القوية تربط البروتونات والنيوترونات في النوى، والتفاعلات الكهرومغناطيسية تربط البروتونات والإلكترونات في الذرات. من أمثلة التفاعلات الضعيفة اضمحلال بيتا للنيوترون أو التحول النووي للبروتون إلى نيوترون مع انبعاث البوزيترون والنيوترينو (بالنسبة للبروتون الحر، فإن مثل هذه العملية مستحيلة بسبب قانون حفظ وتحويل الطاقة، لأن النيوترون له كتلة أكبر قليلاً). دوران البروتون هو 1/2. تسمى الهادرونات ذات الدوران نصف الصحيح بالباريونات (من الكلمة اليونانية التي تعني "ثقيل"). تشمل الباريونات البروتون والنيوترون ومختلف الهايبرونات (؟،؟،؟،؟) وعدد من الجسيمات ذات الأعداد الكمومية الجديدة، ومعظمها لم يتم اكتشافه بعد. لتوصيف الباريونات، تم تقديم رقم خاص - شحنة الباريون، تساوي 1 للباريونات، - 1 - للباريونات المضادة وO - لجميع الجزيئات الأخرى. شحنة الباريون ليست مصدرًا لحقل الباريون، بل تم تقديمها فقط لوصف الأنماط الملحوظة في التفاعلات مع الجسيمات. يتم التعبير عن هذه الأنماط في شكل قانون حفظ شحنة الباريون: يتم الحفاظ على الفرق بين عدد الباريونات والباريونات المضادة في النظام في أي تفاعل. إن الحفاظ على شحنة الباريون يجعل من المستحيل على البروتون أن يتحلل، لأنه أخف الباريونات. وهذا القانون تجريبي بطبيعته، وبالطبع يجب اختباره تجريبيا. وتتميز دقة قانون حفظ شحنة الباريون بثبات البروتون، الذي يعطي التقدير التجريبي لعمره قيمة لا تقل عن 1032 سنة.

وفي الوقت نفسه، تتنبأ النظريات التي تجمع بين جميع أنواع التفاعلات الأساسية بالعمليات التي تؤدي إلى تعطيل شحنة الباريون واضمحلال البروتون. لم يتم تحديد عمر البروتون في مثل هذه النظريات بدقة شديدة: حوالي 1032 ± 2 سنة. هذه المرة هائلة، وهي أطول بعدة مرات من وجود الكون (~ 2*1010 سنة). ولذلك فإن البروتون مستقر عمليا، مما جعل تكوين العناصر الكيميائية وظهور الحياة الذكية في نهاية المطاف أمرا ممكنا. ومع ذلك، فإن البحث عن اضمحلال البروتون يعد الآن أحد أهم المشكلات في الفيزياء التجريبية. مع عمر بروتون يبلغ ~ 1032 عامًا في حجم ماء يبلغ 100 متر مكعب (يحتوي 1 متر مكعب على ~ 1030 بروتونًا)، ينبغي توقع اضمحلال بروتون واحد سنويًا. كل ما تبقى هو تسجيل هذا الاضمحلال. سيكون اكتشاف اضمحلال البروتون خطوة مهمة نحو الفهم الصحيح لوحدة قوى الطبيعة.

النيوترون هو جسيم محايد ينتمي إلى فئة الهادرونات. اكتشفه الفيزيائي الإنجليزي ج. تشادويك عام 1932. جنبا إلى جنب مع البروتونات، تشكل النيوترونات جزءا من النوى الذرية. الشحنة الكهربائية للنيوترون qn هي صفر. وهذا ما تؤكده القياسات المباشرة للشحنة الناتجة عن انحراف شعاع النيوترون في المجالات الكهربائية القوية، والتي أظهرت أن |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.

النيوترونات مستقرة فقط في النوى الذرية المستقرة. النيوترون الحر هو جسيم غير مستقر يضمحل إلى بروتون (p) وإلكترون (e-) وإلكترون مضاد النيوترينو. ويبلغ عمر النيوترون (917–14) ثانية، أي حوالي 15 دقيقة. وفي المادة، توجد النيوترونات في شكل حر بدرجة أقل بسبب امتصاصها القوي بواسطة النوى. ولذلك فهي تحدث في الطبيعة أو يتم إنتاجها في المختبر فقط نتيجة للتفاعلات النووية.

بناءً على توازن الطاقة في التفاعلات النووية المختلفة، تم تحديد الفرق بين كتلتي النيوترون والبروتون: mn-mp(1.29344 ±0.00007) MeV. وبمقارنتها بكتلة البروتون، نحصل على كتلة النيوترون: mn = 939.5731 ± 0.0027 MeV؛ وهذا يتوافق مع mn ~ 1.6-10-24، ويشارك النيوترون في جميع أنواع التفاعلات الأساسية. التفاعلات القوية تربط النيوترونات والبروتونات في النوى الذرية. مثال على التفاعل الضعيف هو اضمحلال بيتا للنيوترون.

هل يشارك هذا الجسيم المحايد في التفاعلات الكهرومغناطيسية؟ للنيوترون بنية داخلية، ومع الحياد العام توجد فيه تيارات كهربائية تؤدي بشكل خاص إلى ظهور عزم مغناطيسي في النيوترون. بمعنى آخر، في المجال المغناطيسي، يتصرف النيوترون مثل إبرة البوصلة. وهذا مجرد مثال واحد على التفاعل الكهرومغناطيسي. وقد حظي البحث عن عزم ثنائي القطب الكهربائي للنيوترون، والذي تم الحصول على حد أعلى له، باهتمام كبير. هنا، تم إجراء التجارب الأكثر فعالية من قبل علماء من معهد لينينغراد للفيزياء النووية التابع لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية؛ يعد البحث عن عزم ثنائي القطب النيوتروني أمرًا مهمًا لفهم آليات انتهاك الثبات في ظل انعكاس الزمن في العمليات الدقيقة.

وقد لوحظت تفاعلات الجاذبية للنيوترونات مباشرة من وقوعها في مجال الجاذبية الأرضية.

أصبح التصنيف التقليدي للنيوترونات وفقًا لطاقتها الحركية مقبولًا الآن:

النيوترونات البطيئة (<105эВ, есть много их разновидностей),

النيوترونات السريعة (105؟108 إلكترون فولت)، عالية الطاقة (> 108 إلكترون فولت).

النيوترونات البطيئة جدًا (10-7 إلكترون فولت)، والتي تسمى النيوترونات فائقة البرودة، لها خصائص مثيرة جدًا للاهتمام. اتضح أنه يمكن تجميع النيوترونات فائقة البرودة في "فخاخ مغناطيسية" ويمكن توجيه دورانها في اتجاه معين هناك. باستخدام مجالات مغناطيسية ذات تكوين خاص، يتم عزل النيوترونات فائقة البرودة عن الجدران الماصة ويمكنها "العيش" في المصيدة حتى تتحلل. وهذا يسمح بإجراء العديد من التجارب الدقيقة لدراسة خصائص النيوترونات. هناك طريقة أخرى لتخزين النيوترونات فائقة البرودة تعتمد على خصائصها الموجية. يمكن ببساطة تخزين مثل هذه النيوترونات في "جرة" مغلقة. وقد عبر عن هذه الفكرة الفيزيائي السوفييتي يا. بي. زيلدوفيتش في أواخر الخمسينيات من القرن العشرين، وتم الحصول على النتائج الأولى في دوبنا في معهد الأبحاث النووية بعد عقد من الزمان تقريبًا.

تمكن العلماء مؤخرًا من بناء وعاء تعيش فيه النيوترونات فائقة البرودة حتى اضمحلالها الطبيعي.

النيوترونات الحرة قادرة على التفاعل بنشاط مع النوى الذرية، مما يسبب التفاعلات النووية. نتيجة لتفاعل النيوترونات البطيئة مع المادة، يمكن ملاحظة تأثيرات الرنين، وتشتت الحيود في البلورات، وما إلى ذلك. وبسبب هذه الخصائص، تستخدم النيوترونات على نطاق واسع في الفيزياء النووية وفيزياء الحالة الصلبة. وهي تلعب دورًا مهمًا في الطاقة النووية، وفي إنتاج عناصر ما بعد اليورانيوم والنظائر المشعة، وتجد تطبيقًا عمليًا في التحليل الكيميائي والاستكشاف الجيولوجي.

الذرة هي أصغر جسيم من العنصر الكيميائي الذي يحتفظ بجميع خواصه الكيميائية. تتكون الذرة من نواة لها شحنة كهربائية موجبة وإلكترونات سالبة الشحنة. شحنة نواة أي عنصر كيميائي تساوي حاصل ضرب Z وe، حيث Z هو الرقم التسلسلي لهذا العنصر في النظام الدوري للعناصر الكيميائية، e هي قيمة الشحنة الكهربائية الأولية.

الإلكترونهو أصغر جسيم من مادة له شحنة كهربائية سالبة e=1.6·10 -19 كولوم، ويُعتبر شحنة كهربائية أولية. توجد الإلكترونات التي تدور حول النواة في أغلفة الإلكترونات K وL وM وما إلى ذلك. K هي القشرة الأقرب إلى النواة. يتم تحديد حجم الذرة من خلال حجم غلافها الإلكتروني. يمكن للذرة أن تفقد إلكترونات وتصبح أيونًا موجبًا أو تكتسب إلكترونات وتصبح أيونًا سالبًا. تحدد شحنة الأيون عدد الإلكترونات المفقودة أو المكتسبة. تسمى عملية تحويل الذرة المحايدة إلى أيون مشحون بالتأين.

النواة الذرية(الجزء المركزي من الذرة) يتكون من جزيئات نووية أولية - البروتونات والنيوترونات. نصف قطر النواة أصغر بحوالي مائة ألف مرة من نصف قطر الذرة. كثافة النواة الذرية عالية للغاية. البروتونات- هذه جسيمات أولية مستقرة ذات شحنة كهربائية موجبة واحدة وكتلة أكبر بـ 1836 مرة من كتلة الإلكترون. البروتون هو نواة ذرة العنصر الأخف وهو الهيدروجين. عدد البروتونات في النواة Z . نيوترونهو جسيم أولي محايد (ليس له شحنة كهربائية) كتلته قريبة جدًا من كتلة البروتون. وبما أن كتلة النواة تتكون من كتلة البروتونات والنيوترونات، فإن عدد النيوترونات في نواة الذرة يساوي A - Z، حيث A هو العدد الكتلي لنظير معين (انظر). يُطلق على البروتون والنيوترون اللذين يشكلان النواة اسم النيوكليونات. في النواة، ترتبط النيوكليونات بواسطة قوى نووية خاصة.

تحتوي النواة الذرية على احتياطي ضخم من الطاقة، والذي يتم إطلاقه أثناء التفاعلات النووية. تحدث التفاعلات النووية عندما تتفاعل النوى الذرية مع الجسيمات الأولية أو مع نوى العناصر الأخرى. ونتيجة للتفاعلات النووية، يتم تشكيل نوى جديدة. على سبيل المثال، يمكن للنيوترون أن يتحول إلى بروتون. في هذه الحالة، يتم إخراج جسيم بيتا، أي الإلكترون، من النواة.

يمكن أن يتم انتقال البروتون إلى نيوترون في النواة بطريقتين: إما أن ينبعث جسيم له كتلة تساوي كتلة الإلكترون، ولكن بشحنة موجبة، يسمى البوزيترون (اضمحلال البوزيترون)، من النواة، أو تلتقط النواة أحد الإلكترونات من الغلاف K الأقرب إليها (K -capture).

في بعض الأحيان تحتوي النواة الناتجة على طاقة زائدة (تكون في حالة مثارة)، وعند عودتها إلى الحالة الطبيعية، تطلق طاقة زائدة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي بطول موجي قصير جدًا - . يتم استخدام الطاقة المنبعثة أثناء التفاعلات النووية عمليا في مختلف الصناعات.

الذرة (باليونانية الذرة - غير قابلة للتجزئة) هي أصغر جسيم من العنصر الكيميائي الذي له خواصه الكيميائية. ويتكون كل عنصر من نوع معين من الذرة. تتكون الذرة من نواة تحمل شحنة كهربائية موجبة، وإلكترونات سالبة الشحنة (انظر)، تشكل أغلفةها الإلكترونية. حجم الشحنة الكهربائية للنواة يساوي Z-e، حيث e هي الشحنة الكهربائية الأولية التي تساوي شحنة الإلكترون (4.8·10 -10 وحدات كهربائية)، وZ هو العدد الذري لهذا العنصر في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية (انظر ). نظرًا لأن الذرة غير المتأينة محايدة، فإن عدد الإلكترونات الموجودة فيها يساوي أيضًا Z. يتضمن تكوين النواة (انظر النواة الذرية) النيوكليونات، وهي جسيمات أولية ذات كتلة أكبر بحوالي 1840 مرة من كتلة الإلكترون (يساوي 9.1 10 - 28 جم)، والبروتونات (انظر)، موجبة الشحنة، والنيوترونات عديمة الشحنة (انظر). يسمى عدد النيوكليونات في النواة بالعدد الكتلي ويشار إليه بالحرف A. ويحدد عدد البروتونات في النواة، الذي يساوي Z، عدد الإلكترونات التي تدخل الذرة، وبنية أغلفة الإلكترونات والمواد الكيميائية خصائص الذرة. عدد النيوترونات في النواة هو A-Z. النظائر هي أنواع من نفس العنصر، تختلف ذراتها عن بعضها البعض في العدد الكتلي A، ولكنها لها نفس Z. وبالتالي، في نوى ذرات النظائر المختلفة لنفس العنصر توجد أعداد مختلفة من النيوترونات بنفس العدد عدد البروتونات. عند الإشارة إلى النظائر، يُكتب العدد الكتلي A فوق رمز العنصر، والعدد الذري أدناه؛ على سبيل المثال، يتم تعيين نظائر الأكسجين:

يتم تحديد أبعاد الذرة من خلال أبعاد أغلفة الإلكترونات وهي لجميع Z بقيمة تتراوح بين 10 -8 سم وبما أن كتلة جميع الإلكترونات في الذرة أقل بعدة آلاف المرات من كتلة النواة ، كتلة الذرة تتناسب مع العدد الكتلي. يتم تحديد الكتلة النسبية لذرة نظير معين بالنسبة لكتلة ذرة نظير الكربون C12، مأخوذة بـ 12 وحدة، وتسمى كتلة النظائر. وتبين أنه قريب من العدد الكتلي للنظير المقابل. الوزن النسبي لذرة عنصر كيميائي هو المتوسط ​​(مع الأخذ في الاعتبار الوفرة النسبية لنظائر عنصر معين) قيمة الوزن النظائري ويسمى الوزن الذري (الكتلة).

الذرة عبارة عن نظام مجهري، ولا يمكن تفسير بنيتها وخصائصها إلا باستخدام نظرية الكم، التي تم إنشاؤها بشكل رئيسي في العشرينات من القرن العشرين وتهدف إلى وصف الظواهر على المستوى الذري. أظهرت التجارب أن الجسيمات الدقيقة - الإلكترونات والبروتونات والذرات وما إلى ذلك - بالإضافة إلى الجسيمات، لها خصائص موجية، تتجلى في الحيود والتداخل. في نظرية الكم، لوصف حالة الأجسام الدقيقة، يتم استخدام مجال موجة معين، يتميز بوظيفة موجية (دالة Ψ). تحدد هذه الوظيفة احتمالات الحالات المحتملة للكائن الدقيق، أي أنها تصف الإمكانيات المحتملة لظهور بعض خصائصه. إن قانون تباين الدالة Ψ في المكان والزمان (معادلة شرودنجر)، والذي يسمح للمرء بإيجاد هذه الدالة، يلعب نفس الدور في نظرية الكم مثل قوانين نيوتن للحركة في الميكانيكا الكلاسيكية. يؤدي حل معادلة شرودنغر في كثير من الحالات إلى حالات منفصلة محتملة للنظام. لذلك، على سبيل المثال، في حالة الذرة، يتم الحصول على سلسلة من الوظائف الموجية للإلكترونات المقابلة لقيم الطاقة المختلفة (المكممة). لقد حصل نظام مستويات الطاقة الذرية، المحسوب بطرق نظرية الكم، على تأكيد رائع في التحليل الطيفي. يحدث انتقال الذرة من الحالة الأرضية المقابلة لأدنى مستوى طاقة E 0 إلى أي من الحالات المثارة E i عند امتصاص جزء معين من الطاقة E i - E 0 . تنتقل الذرة المثارة إلى حالة أقل إثارة أو أرضية، عادة عن طريق إصدار فوتون. في هذه الحالة، طاقة الفوتون hv تساوي الفرق في طاقات الذرة في حالتين: hv = E i - E k حيث h هو ثابت بلانك (6.62·10 -27 erg·sec)، v هو التردد من الضوء.

بالإضافة إلى الأطياف الذرية، أتاحت نظرية الكم تفسير خصائص أخرى للذرات. وعلى وجه الخصوص، تم شرح التكافؤ وطبيعة الروابط الكيميائية وبنية الجزيئات، وتم إنشاء نظرية الجدول الدوري للعناصر.

ما هو النيوترون؟ وما هي بنيتها وخصائصها ووظائفها؟ النيوترونات هي أكبر الجسيمات التي تشكل الذرات، وهي اللبنات الأساسية لجميع المواد.

التركيب الذري

توجد النيوترونات في النواة، وهي منطقة كثيفة من الذرة مليئة أيضًا بالبروتونات (جسيمات موجبة الشحنة). وهذان العنصران متماسكان بقوة تسمى القوة النووية. النيوترونات لها شحنة متعادلة. تتم مطابقة الشحنة الموجبة للبروتون مع الشحنة السالبة للإلكترون لتكوين ذرة محايدة. على الرغم من أن النيوترونات الموجودة في النواة لا تؤثر على شحنة الذرة، إلا أنها لا تزال تمتلك العديد من الخصائص التي تؤثر على الذرة، بما في ذلك مستوى النشاط الإشعاعي.

النيوترونات والنظائر والنشاط الإشعاعي

الجسيم الموجود في نواة الذرة هو نيوترون أكبر بنسبة 0.2٪ من البروتون. يشكلون معًا 99.99٪ من الكتلة الإجمالية لنفس العنصر وقد يحتويون على أعداد مختلفة من النيوترونات. عندما يشير العلماء إلى الكتلة الذرية، فإنهم يقصدون متوسط ​​الكتلة الذرية. على سبيل المثال، يحتوي الكربون عادةً على 6 نيوترونات و6 بروتونات بكتلة ذرية 12، لكنه يوجد أحيانًا بكتلة ذرية 13 (6 بروتونات و7 نيوترونات). يوجد أيضًا الكربون ذو العدد الذري 14، ولكنه نادر. وبالتالي فإن الكتلة الذرية للكربون يبلغ متوسطها 12.011.

عندما تحتوي الذرات على أعداد مختلفة من النيوترونات، فإنها تسمى النظائر. لقد وجد العلماء طرقًا لإضافة هذه الجسيمات إلى النواة لتكوين نظائر أكبر. الآن فإن إضافة النيوترونات لا يؤثر على شحنة الذرة لأنها لا تحتوي على أي شحنة. ومع ذلك، فإنها تزيد من النشاط الإشعاعي للذرة. وهذا يمكن أن يؤدي إلى ذرات غير مستقرة للغاية يمكنها تفريغ مستويات عالية من الطاقة.

ما هو جوهر؟

في الكيمياء، النواة هي المركز الموجب للذرة، والتي تتكون من البروتونات والنيوترونات. كلمة "النواة" تأتي من النواة اللاتينية، وهي شكل من أشكال الكلمة التي تعني "الجوز" أو "النواة". تمت صياغة هذا المصطلح في عام 1844 من قبل مايكل فاراداي لوصف مركز الذرة. العلوم المعنية بدراسة النواة ودراسة تركيبها وخصائصها تسمى الفيزياء النووية والكيمياء النووية.

يتم ربط البروتونات والنيوترونات معًا بواسطة القوة النووية الشديدة. تنجذب الإلكترونات إلى النواة، ولكنها تتحرك بسرعة كبيرة بحيث يحدث دورانها على مسافة معينة من مركز الذرة. الشحنة النووية التي تحمل علامة زائد تأتي من البروتونات، ولكن ما هو النيوترون؟ هذا جسيم ليس له شحنة كهربائية. يقع كل وزن الذرة تقريبًا في النواة، نظرًا لأن كتلة البروتونات والنيوترونات أكبر بكثير من كتلة الإلكترونات. يحدد عدد البروتونات الموجودة في نواة الذرة هويتها كعنصر. يشير عدد النيوترونات إلى نظير العنصر الذي تنتمي إليه الذرة.

حجم النواة الذرية

النواة أصغر بكثير من القطر الكلي للذرة لأن الإلكترونات يمكن أن تكون بعيدة عن المركز. فذرة الهيدروجين أكبر بـ 145 ألف مرة من نواتها، وذرة اليورانيوم أكبر بـ 23 ألف مرة من مركزها. نواة الهيدروجين هي الأصغر حجما لأنها تتكون من بروتون واحد.

ترتيب البروتونات والنيوترونات في النواة

عادة ما يتم تصوير البروتونات والنيوترونات على أنها معبأة معًا وموزعة بالتساوي في المجالات. ومع ذلك، هذا هو تبسيط للهيكل الفعلي. يمكن لكل نيوكليون (بروتون أو نيوترون) أن يشغل مستوى طاقة محددًا ومجموعة من المواقع. في حين أن النواة يمكن أن تكون كروية، إلا أنها يمكن أن تكون أيضًا على شكل كمثرى، أو كروية، أو على شكل قرص.

نواة البروتونات والنيوترونات هي باريونات، وتتكون من أصغرها تسمى الكواركات. تتمتع قوة التجاذب بمدى قصير جدًا، لذا يجب أن تكون البروتونات والنيوترونات قريبة جدًا من بعضها البعض حتى تترابط. يتغلب هذا الجذب القوي على التنافر الطبيعي للبروتونات المشحونة.

البروتون والنيوترون والإلكترون

كان اكتشاف النيوترون (1932) بمثابة قوة دافعة قوية في تطوير علم مثل الفيزياء النووية. يجب أن نشكر هذا الفيزيائي الإنجليزي الذي كان طالبًا في رذرفورد. ما هو النيوترون؟ هذا جسيم غير مستقر، وفي حالته الحرة، يمكن أن يتحلل إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو، وهو ما يسمى بالجسيم المحايد عديم الكتلة، في 15 دقيقة فقط.

حصل الجسيم على اسمه لأنه ليس له شحنة كهربائية، فهو محايد. النيوترونات كثيفة للغاية. في الحالة المعزولة، ستكون كتلة النيوترون الواحد 1.67·10 - 27 فقط، وإذا تناولت ملعقة صغيرة مملوءة بكثافة بالنيوترونات، فإن قطعة المادة الناتجة سوف تزن ملايين الأطنان.

ويسمى عدد البروتونات الموجودة في نواة العنصر بالعدد الذري. يمنح هذا الرقم كل عنصر هويته الفريدة. في ذرات بعض العناصر، مثل الكربون، يكون عدد البروتونات في النواة هو نفسه دائمًا، ولكن يمكن أن يختلف عدد النيوترونات. تسمى ذرة عنصر معين تحتوي على عدد معين من النيوترونات في النواة بالنظير.

هل النيوترونات المفردة خطرة؟

ما هو النيوترون؟ هذا هو الجسيم الذي يتم تضمينه مع البروتون، ومع ذلك، في بعض الأحيان يمكن أن يوجدوا بمفردهم. عندما تكون النيوترونات خارج نوى الذرات، فإنها تكتسب خصائص خطرة محتملة. وعندما تتحرك بسرعات عالية، فإنها تنتج إشعاعات قاتلة. إن ما يسمى بالقنابل النيوترونية، المعروفة بقدرتها على قتل البشر والحيوانات، إلا أن تأثيرها ضئيل على الهياكل المادية غير الحية.

النيوترونات جزء مهم جدًا من الذرة. إن الكثافة العالية لهذه الجسيمات، بالإضافة إلى سرعتها، تمنحها قوة وطاقة تدميرية شديدة. ونتيجة لذلك، يمكنها تغيير أو حتى تمزيق نوى الذرات التي تصطدم بها. على الرغم من أن النيوترون لديه شحنة كهربائية متعادلة صافية، إلا أنه يتكون من مكونات مشحونة تلغي بعضها البعض فيما يتعلق بالشحنة.

النيوترون الموجود في الذرة هو جسيم صغير. مثل البروتونات، فهي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها حتى باستخدام المجهر الإلكتروني، ولكنها موجودة لأن هذه هي الطريقة الوحيدة لتفسير سلوك الذرات. تعتبر النيوترونات مهمة جدًا لاستقرار الذرة، ولكن خارج مركزها الذري لا يمكن أن توجد لفترة طويلة وتتحلل في المتوسط ​​خلال 885 ثانية فقط (حوالي 15 دقيقة).