Два протона два нейтрона что это за птица
Нейтрон и протий
Физики не любят говорить о том, что они что-то не знают и поэтому не могут объяснить некоторые опытные данные. Когда возникают трудности в объяснении какого-либо факта, противоречащего признанной теории, то часто это противоречие устраняют с помощью гипотезы. Если гипотеза получает признание специалистов, то она приобретает силу аксиомы. Но при этом гипотеза, устранив одну из трудностей, может привести к другим трудностям, которым потом не уделяют должного внимания. Или устраняют эти трудности с помощью ещё одной гипотезы. В конце концов физики приходят к соглашению, которое признаётся большинством специалистов, но не устраняет при этом полностью противоречия теоретических представлений с опытными данными.
Такая история произошла с нейтроном, который в современной физике рассматривается как элементарная частица.
В современной физике принято считать, что нейтрон и протон это одна и та же элементарная частица, отличающаяся электрическим зарядом: нейтрон не имеет заряда, а у протона он равен 1. Однако это представление противоречит опытным данным. Нейтрон в свободном состоянии распадается на протон и электрон за время порядка 15 минут. А протон является стабильной частицей.
ТРУДНОСТИ В СОВРЕМЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЯХ О НЕЙТРОНЕ
Представление о нейтроне как элементарной частице не даёт удовлетворительного объяснения следующих особенностей нейтрона:
Распад нейтрона на протон и электрон.
Наличие магнитного момента при нулевом электрическом заряде.
Превышение массы нейтрона суммарной массы частиц, на которые он распадается.
НЕЙТРОН И ПРОТИЙ КАК ОДНА СИСТЕМА
Таким образом, радиус нейтрона в свободном состоянии и боровский радиус атома водорода определяются одними и теми же фундаментальными постоянными s и le. Их количественное отношение определяется как:
Rn/R1 = s^2.
Это дополнительно подтверждает тот факт, что нейтрон и протий это одна система в различных энергетических состояниях.
Так как нейтрон является квантово-механической системой «протон-электрон», то его спин слагается из трёх составляющих: спина протона, спина электрона и орбитального момента электрона Le. Наличие орбитального момента электрона подтверждается тем, что нейтрон имеет магнитный момент. Тогда три слагаемых с полуцелым спином дают полуцелый суммарный спин.
МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ НЕЙТРОНА
Определённый автором магнитный момент нейтрона имеет значение, близкое к приведенному Л. Полингом в его книге «Общая химия». Соответственно 3.27 и 3.31.
О РАДИУСЕ НЕЙТРОНА В СОСТАВЕ АТОМНОГО ЯДРА
Нейтрон в атомном ядре испытывает поляризацию. Положительно заряженное ядро притягивает электрон и отталкивает протон. Поэтому нейтрон в составе ядра представляет собой диполь, электрон не вращается относительно протона. При этом размер нейтрона Rn’ определяется как расстояние между протоном и электроном. Определённая автором величина составляет Rn’ = 0.92х10^(-15) м.
О ПРОТОННО-ЭЛЕКТРОННОЙ ГИПОТЕЗЕ СТРОЕНИЯ ЯДРА
С учётом представления о нейтроне как системе «протон-электрон» возвращаемся к протонно-электронной гипотезе строения ядра. Тогда можно считать, что, действительно, ядра состоят из протонов и электронов. При этом электроны входят в состав ядра не как отдельные частицы, а в составе нейтронов.
О ГРУППИРОВАНИИ ПРОТОНОВ И НЕЙТРОНОВ В СОСТАВЕ ЯДРА
Как показано в ядерной модели Л. Полинга, протоны и нейтроны в составе ядра группируются в более сложные частицы. Это подтверждается опытными данными. Так, первые трансурановые элементы были получены в результате облучения урановой мишени нейтронами. При этом наблюдалось: вылет из ядра электронов, вылет гелионов (ядер гелия, альфа-частиц) и деление ядра на осколки. Нейтроны как незаряженные частицы легко проникают в ядро, а в ядре превращаются в более сложные частицы, а именно, в дейтроны (ядра дейтерия), тритоны (ядра трития) и, в конечном счёте, в гелионы. Гелионы не превращаются в другие частицы и по достижении определённого предельного значения могут покинуть ядро. Вылет электронов объясняется превращением двух нейтронов в дейтрон и свободный электрон, который покидает ядро.
ЕЩЁ РАЗ ОБ АЗОТНОЙ КАТАСТРОФЕ
Если определить состав ядра азота N(14,7) согласно модели Полинга, то оно состоит из трёх гелионов и одного дейтрона. Эти частицы имеют целый спин, что и определяет суммарный целый спин ядра азота. Следовательно, нет «азотной катастрофы» и нет необходимости в гипотезе, согласно которой физики стали считать нейтрон элементарной частицей.
Как в одном атоме умещается вся физика
Большинство людей, представляя себе атом, рисуют в воображении небольшое ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого двигаются один или несколько электронов. Это представление основано на интерпретации квантовой механики, основанной на частицах. Но для описания атомов в стандартных условиях его недостаточно.
Если вы хотите раскрыть секреты Вселенной, вам только и нужно, что допрашивать её, пока она не выдаст ответы в такой форме, в какой вы сможете их понять. При взаимодействии двух квантов энергии – будь то частицы или античастицы, массивные они или безмассовые, фермионы или бозоны – его результат в принципе может рассказать вам о правилах и законах, которым подчиняется эта система. Если мы будем знать о всех возможных вариантах результатов любого взаимодействия, включая их относительные вероятности – только тогда мы сможем говорить о том, что понимаем, что происходит.
Удивительно, но всё, что мы знаем о Вселенной, можно так или иначе привязать к самой скромной из всех известных нам сущностей: к атому. Атом – это мельчайшая единица материи, всё ещё сохраняющая уникальные характеристики макроскопического мира, такие, как физические и химические свойства. И при этом это фундаментально квантовая сущность, со своими уровнями энергии, свойствами и законами сохранения. Более того, этот непримечательный атом связан со всеми четырьмя известными фундаментальными взаимодействиями. В единственном атоме на самом деле можно увидеть всю физику. И вот, что она может рассказать нам о Вселенной.
От макроскопических до субатомных масштабов, размеры фундаментальных частиц играют небольшую роль в определении размеров композитных структур. Пока неизвестно, являются ли эти строительные кирпичики по-настоящему фундаментальными и точечными частицами, но мы понимаем, как устроена Вселенная от больших, космических масштабов до мелких, субатомных. В человеческом теле содержится порядка 10 28 атомов.
Здесь на Земле существует около 90 элементов, появившихся естественным путём – в результате протекания создавших их космических процессов. По сути, элемент – это атом, чьё ядро состоит из протонов, (и возможно) нейтронов. Вокруг ядра находятся несколько электронов, чьё количество равно количеству протонов. У каждого элемента есть свой набор свойств, среди которых:
Разнообразие атомов и управляющие движущимися по орбите вокруг ядер электронами – идентичными частицами — квантовые правила позволяют без преувеличения сказать, что всё под Солнцем состоит из атомов – в том или ином виде.
Атомным и молекулярным комбинациям несть числа. Но конкретные комбинации этих составляющих, присущие определённому материалу, определяют его свойства. Принято считать, что алмазы – это самое твёрдое вещество на Земле, но на самом деле это и не самый прочный материал в принципе, и не самый прочный из природных материалов. На сегодня известно уже шесть более прочных материалов, и ожидается, что их количество будет только расти.
Каждый атом с уникальным набором протонов в ядре формирует уникальные связи с другими атомами, благодаря чему типов молекул, ионов, солей и более крупных структур может быть почти бесконечное количество. Друг на друга субатомные частицы воздействуют в основном при помощи электромагнитных сил. В итоге со временем формируются макроскопические структуры, которые мы наблюдаем не только на Земле, но и по всей Вселенной.
Общим свойством всех атомов является наличие у них массы. И чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем больше масса атома. И хотя это квантовые сущности, а диаметр одного атома не превышает одного ангстрема, дальность действия гравитации ничем не ограничена. Любой объект, обладающий энергией– включая и энергию покоя, придающую частицам массу – будет искривлять ткань пространства-времени согласно общей теории относительности Эйнштейна. Какой бы малой масса не была, каким бы ни было малым расстояние, кривизна пространства-времени, вызванная любым количеством атомов — будь то 10 57 атомов в звезде, 10 28 атомов в человеческом теле, или один атом гелия – будет происходить точно в соответствии с ОТО.
Появление массы в пустой трёхмерной решётке заставляет её линии искривляться определённым образом. Они как бы вытягиваются в сторону массы. Искривление пространства из-за гравитационного воздействия Земли – это один из способов визуализации гравитации, и фундаментальное отличие общей теории относительности от специальной.
Это примечательно по двум причинам. Во-первых, когда один атом приближается к другому (или к группе атомов), они могут взаимодействовать. На квантовом уровне их волновые функции могут накладываться, и атомы связываются вместе в молекулы, ионы и соли. У этих связных структур есть свои уникальные формы и конфигурации электронных облаков. Соответственно, у них есть свои уникальные уровни энергии, поглощающие и испускающие фотоны только с определёнными длинами волн.
Атомные электронные переходы в атоме водорода и длины волн возникающих фотонов демонстрируют энергию связей и взаимоотношение электрона и протона в квантовой физике.
Эти электронные переходы в атоме или группе атомов уникальны: они свои для каждого атома или конфигурации из группы атомов. Обнаружив спектральные линии атома или молекулы – неважно, поглощения или испускания – можно сразу же сказать, что это за атом или молекула. Внутренние электронные переходы согласуются с уникальным набором энергетических уровней, и переходы электронов недвусмысленно свидетельствуют о типе и конфигурации атома/атомов.
По всей Вселенной атомы и молекулы подчиняются одним и тем же правилам: законам классической и квантовой электродинамики, управляющими всеми заряженными частицами. Даже внутри самого атомного ядра, состоящего из обладающих зарядом кварков и глюонов без электрического заряда, электромагнитные связи играют важнейшую роль. Эта внутренняя структура объясняет, почему магнитный момент протона почти в три раза сильнее магнитного момента электрона (и имеет противоположный знак), а у нейтрона магнитный момент почти в два раза больше, чем у электрона, и имеет тот же знак.
У самого низкого энергетического уровня водорода (1S) слева вверху очень плотное вероятностное электронное облако. У более высоких энергетических уровней облака похожи, но имеют более сложную структуру. Для первого возбужденного состояния есть две независимых конфигурации: 2S и 2P, у которых из-за почти неуловимого эффекта получаются разные энергетические уровни.
Хотя электрическое взаимодействие работает на довольно больших расстояниях – на самом деле, как и у гравитации, у него тоже нет никаких ограничений – электрическая нейтральность атома в целом играет невероятно важную роль в понимании поведения всей Вселенной. Электромагнитное взаимодействие невероятно сильно – два протона отталкиваются с силой, в 10 36 раз превышающей их гравитационное притяжение!
Но поскольку привычные нам макроскопические объекты состоят из такого количества атомов, и поскольку атомы сами по себе электрически нейтральны, мы что-то замечаем, только если:
Если потереть два разных материала, к примеру, ткань и пластик, можно перенести заряды с одного на другой, в результате чего оба объекта окажутся заряженными.
На классическом и квантовом уровнях в атоме закодировано огромное количество информации, связанное с электромагнитными взаимодействиями, при этом «классической» (не квантовой) ОТО достаточно для объяснения когда-либо встреченных нами атомных и субатомных взаимодействий. Если забраться в атом ещё глубже, вовнутрь протонов и нейтронов, можно раскрыть природу и свойства оставшихся фундаментальных взаимодействий: слабого и сильного.
Опускаясь на фемтометровые масштабы, сначала вы начнёте замечать влияние сильного взаимодействия. Впервые оно проявляется между разными нуклонами – протонами и нейтронами, из которых состоит любое ядро. Электрическое взаимодействие между двумя нуклонами либо отталкивает их (заряды протонов одинаковые), либо не возникает (зарядов у нейтронов нет). Но на малых расстояниях работает взаимодействие, ещё более сильное, чем электромагнитное: сильное взаимодействие, работающее между кварками через обмен глюонами. Разные протоны и нейтроны могут обмениваться парами кварков-антикварков – мезонами – это связывает их в ядре, и при подходящей конфигурации преодолевает силу электромагнитного отталкивания.
Отдельные фотоны и нейтроны не обладают «цветом», а содержащиеся внутри них кварки – обладают. Обмен глюонами может происходить не только внутри протона или нейтрона, но и между протонами и нейтронами, благодаря чему возникают связи внутри ядра.
В глубине атомного ядра сильное взаимодействие проявляет себя по-другому: отдельные кварки постоянно обмениваются глюонами. Кроме гравитационного заряда (массы) и электромагнитного заряда, присущего материи, есть ещё и заряд, характерный для кварков и глюонов: цветной. Они не просто всегда притягиваются, как гравитация, или обладают двумя зарядами, которые могут отталкиваться или притягиваться, как электрические. У них есть три независимых цвета – красный, зелёный и синий – и три антицвета. Встречаются они только в «бесцветной» комбинации, в которой комбинируются все три цвета (или антицвета), или же сочетаются комбинации цвет-антицвет.
Удерживает протоны и нейтроны в целости обмен глюонами – в особенности, когда кварки отдаляются, и сильное взаимодействие увеличивается. Чем больше энергии вы можете передать через столкновение с субатомными частицами, тем больше кварков, антикварков и глюонов сможете увидеть. Похоже на то, будто бы внутренности протона заполнены целым морем частиц, и чем сильнее его бить, тем более липкими они становятся. Углубляясь на величину максимальной доступной нам энергии, мы всё равно не видим ограничения на плотность этих субатомных частиц внутри атомных ядер.
Протон – это не просто три кварка с глюонами. Это целое море плотных частиц и античастиц. Чем подробнее мы изучаем протон, чем больше энергии тратим на неупругие столкновения, тем больше внутренней структуры мы в нём находим.
Но не всякий атом способен вечно жить в стабильной конфигурации. Многие атомы испытывают радиоактивный распад – рано или поздно испускают на одну или несколько частиц, что фундаментально меняет их свойства. Самый распространённый вид распада – альфа-распад, при котором нестабильный атом выплёвывает ядро гелия с двумя протонами и двумя нейтронами. Второй по распространённости тип – бета-распад, при котором атом выплёвывает электрон и антиэлектронное нейтрино, а один из нейтронов ядра превращается в протон.
Схематичное изображение бета-распада массивного атомного ядра. Нейтрон превращается в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняются энергия и импульс.
Из этого следует нечто примечательное: если взять любую частицу Вселенной, даже пока не открытую, но подверженную одному из этих взаимодействий, она также будет взаимодействовать и с атомами. Через взаимодействия с частицами, находящимися внутри ничем не примечательного атома, мы открыли огромное количество частиц – в том числе, всяческие типы нейтрино и антинейтрино. Атом – это и то, из чего мы состоим, и окно в истинную природу материю.
Чем глубже мы заглядываем в строительные кирпичики материи, тем лучше мы понимаем и природу самой Вселенной. Только допрашивая Вселенную на предмет того, каким правилам подчиняются все частицы и античастицы, и как они связываются друг с другом, мы можем разобраться в её устройстве. И пока наука и технология, подвластные нам, позволяют зарываться всё глубже, обидно было бы отказываться от исследований только потому, что они не могут гарантировать нам какое-нибудь новое революционное открытие. Единственное, что известно точно: если мы не будем зарываться глубже, мы так ничего и не найдём.
Учёные приблизились к пониманию внутренней структуры нейтрона
Все известные атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, однако мы ещё многого не знаем об этих вездесущих частицах.
Нейтрон, будучи частицей незаряженной, не даётся учёным — ведь измерить его сложно даже спустя 90 лет после открытия. В частности, никто не знает его точный размер и время жизни.
Однако известно, что нейтрон состоит из трех кварков, которые внутри него удерживаются глюонами. Для описания такой динамичной структуры нейтрона физики используют так называемые электромагнитные форм-факторы — среднее распределение электрического заряда и намагниченности внутри нейтрона. К счастью, форм-фактор можно определить экспериментально.
Один форм-фактор, измеренный на определенном энергетическом уровне, почти ничего не скажет. Именно поэтому учёные измеряют форм-факторы при различных энергиях, а в некоторых диапазонах энергий эксперименты по электронно-протонному рассеянию даже будут давать относительно точный результат.
Чтобы добиться такой же точности при других энергиях, необходимы другие методы, предполагающие взаимное уничтожение материи и антиматерии — так называемые аннигиляционные методы. А значит, физикам нужны античастицы для проведения такого эксперимента. Для этого учёные использовали Пекинский электрон-позитронный коллайдер II, в котором электроны и позитроны — их положительные античастицы — сталкиваются и уничтожают друг друга, создавая новые пары частиц.
Используя детектор BESIII, исследователи наблюдали те случаи, в которых электроны и позитроны после аннигиляции создавали нейтроны и антинейтроны при столкновении. Аннигиляционные эксперименты всегда крайне непросты, да и метод обнаружения нейтрона пришлось практически заново изобретать — тем не менее, всё вышло.
Что же узнали учёные? Измерения показали физикам, что прямой линейной зависимости от энергии не наблюдается — напротив, картина была осциллирующей, а флуктуации уменьшались по мере увеличения уровня энергии. Подобное поведение уже наблюдалось у протона, а значит, нуклоны не имеют простой структуры.
Статья опубликована в журнале Nature Physics.
Что удерживает ядра атомов?
Теперь, когда нам известно, что ядро атома крохотное, у нас появляется очевидный вопрос: а почему оно такое маленькое? Атомы состоят из крохотных частиц, но по размеру они гораздо больше этих частиц. Мы уже разбирались, почему так происходит. Но при этом ядра не сильно отличаются по размеру от протонов и нейтронов, из которых они состоят. Есть ли тому причина, или это совпадение?
Мы уже знаем, что атомы удерживают электрические силы. Какие же силы удерживают ядро атома?
И тут мы вступаем на новую территорию, сильно отличающуюся от того, что мы изучали ранее – поскольку становится очевидным, что здесь работает сила, которую мы ещё не обсуждали.
В атоме крохотное ядро и ещё меньшие по размеру электроны расположены далеко друг от друга по отношению к их размерам, и электрические силы, удерживающие их в атоме, просты. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размером атомов, поэтому внутренняя сложность атомов начинает играть роль. Разнообразие и сложные наборы частично компенсирующих друг друга электрических сил, и процессы, в которых электроны способны передвигаться между атомами, делают историю молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Так же расстояние между протонами и нейтронами в ядре сравнимо с их размером – поэтому, как и с молекулами, силы, удерживающие атомные ядра, оказываются гораздо сложнее (в определённых смыслах) сил, удерживающих протоны или нейтроны.
После изучения структуры протонов и нейтронов, эта история станет (немного) проясняться. Базовые свойства ядерной физики вполне ясны, но эта тема остаётся чрезвычайно технической, и многие детали всё ещё исследуют. Я не смогу как следует описать её в этой статье, в частности потому, что я недостаточно хорошо разбираюсь в этой теме, чтобы удобно её упростить для вас.
Рис. 2: легчайшие из стабильных и почти стабильных ядер, вместе с нейтроном. Нейтрон и тритий показаны пунктиром, поскольку они в итоге распадаются. Голубым цветом указаны альтернативные названия.
Схема работы
Посмотрим, что можно узнать, исходя из простых рассуждений о работе этой силы. Одна из подсказок – все ядра, за исключением самого распространённого изотопа водорода (один протон) содержат нейтроны; то есть не бывает ядер с несколькими протонами и без нейтронов (рис. 2). Так что явно нейтроны играют важную роль в том, чтобы помогать протонам держаться вместе.
И наоборот, не бывает ядер, состоящих из одних нейтронов; в самых лёгких ядрах, например, в кислороде или кремнии, примерно столько же нейтронов, сколько протонов (рис. 2). В более крупных и массивных ядрах, например, золота и радия, чуть больше нейтронов, чем протонов (рис. 3). Из этого следуют две вещи:
Рис. 3
Размер ядра
Одна из главных целей этой статьи – объяснить, почему ядра атомов малы по сравнению с размером атома. Для этого начнём с простейшего ядра, содержащего протоны и нейтроны – со второго по распространённости изотопа водорода, состоящего из одного электрона (как и все изотопы водорода) и ядра, состоящего из протона и нейтрона. Этот изотоп часто называют дейтерием, а ядро дейтерия (см. рис. 2) иногда называют дейтроном. Как понять, что удерживает дейтрон? Мы можем наивно предположить, что эта система не отличается от атома водорода, также содержащего две частицы (протон и электрон) – см. рис. 4.
Как мы видели в предыдущей статье, то, что масса электронов мала по сравнению с протонами и нейтронами, гарантирует, что:
Но мы уже догадались, что остаточное сильное взаимодействие сильнее электромагнетизма на таком же расстоянии – поскольку иначе оно не могло бы предотвратить электромагнитное отталкивание протонов, которые разорвали бы ядро. Так что эта дополнительная сила будет стягивать протоны и нейтроны вместе ещё плотнее. Поэтому неудивительно, что дейтрон и другие ядра не просто в тысячу, но в десятки тысяч раз меньше атомов! Повторю, это всё потому, что:
Рис. 4
Малое расстояния действия этой силы
Ядра атомов: в самом сердце материи
Рис. 1
Ядро атома получается крохотным, его радиус в 10 000–100 000 раз меньше всего атома. Каждое ядро содержит определённое количество протонов (обозначим его Z) и определённое количество нейтронов (обозначим его N), скреплённых вместе в виде шарика, по размеру не сильно превышающего сумму их размеров. Отметим, что протоны и нейтроны вместе часто называют «нуклонами», а Z+N часто называют A – общее количество нуклонов в ядре. Также Z, «атомное число» – количество электронов в атоме.
Типичное мультяшное изображение атома (рис. 1) чрезвычайно преувеличивает размер ядра, но более-менее правильно представляет ядро как небрежно соединённое скопление протонов и нейтронов.
Содержимое ядра
Откуда нам известно, что находится в ядре? Эти крохотные объекты просто охарактеризовать (и это было просто исторически) благодаря трём фактам природы.
1. Протон и нейтрон отличаются по массе всего лишь на тысячную часть, так что если нам не нужна чрезвычайная точность, можно сказать, что у всех нуклонов масса одинакова, и назвать её массой нуклона, mнуклон:
(≈ означает «примерно равно»)
2. Количество энергии, необходимой для удержания вместе протонов и нейтронов в ядре, относительно мало – порядка тысячной доли части энергии массы (E = mc 2 ) протонов и нейтронов, так что масса ядра почти равна сумме масс его нуклонов:
3. Масса электрона равняется 1/1835 массы протона – так что почти вся масса атома содержится в его ядре:
Тут подразумевается наличие четвёртого важного факта: все атомы определённого изотопа определённого элемента одинаковы, как и все их электроны, протоны и нейтроны.
Поскольку в самом распространённом изотопе водорода содержится один электрон и один протон:
масса атома Mатом определённого изотопа просто равна Z+N, помноженному на массу атома водорода
и погрешность этих уравнений примерно равна 0,1%.
Поскольку нейтроны электрически нейтральны, электрический заряд Qядро ядра просто равен количеству протонов, помноженному на электрический заряд протона («e»):
В отличие от предыдущих уравнений, это уравнение выполняется точно.
Эти уравнения проиллюстрированы на рис. 2
Рис. 2
Используя открытия последних десятилетий XIX века и первых десятилетий XX, физики знали, как измерить в эксперименте оба обозначенных красным значения: заряд ядра в e, и массу любого атома в атомах водорода. Так что эти значения были известны уже в 1910-х. Однако правильно интерпретировать их смогли только в 1932 году, когда Джеймс Чедвик определил, что нейтрон (идею которого предложил Эрнест Резерфорд в 1920-м) является отдельной частицей. Но как только стало понятно, что нейтроны существуют, и что их масса практически равна массе протона, сразу же стало ясно, как интерпретировать числа Z и N — количество протонов и нейтронов. А также сразу родилась новая загадка – почему у протонов и нейтронов почти одинаковая масса.
Честно говоря, физикам того времени с научной точки зрения страшно повезло, что всё это было так легко установить. Закономерности масс и зарядов настолько просты, что даже самые долгие загадки были раскрыты сразу после открытия нейтрона. Если бы хотя бы один из перечисленных мною фактов природы оказался неверным, тогда на то, чтобы понять, что происходит внутри атомов и их ядер, ушло бы гораздо больше времени.
Рис. 3
Откуда нам известно, что ядро атома маленькое?
Одно дело – убедить себя, что определённое ядро определённого изотопа содержит Z протонов и N нейтронов; другое – убедить себя, что ядра атомов крохотные, и что протоны с нейтронами, будучи сжатыми вместе, не размазываются в кашу и не разбалтываются в месиво, а сохраняют свою структуру, как подсказывает нам мультяшное изображение. Как это можно подтвердить?
Я уже упоминал, что атомы практически пусты. Это легко проверить. Представьте себе алюминиевую фольгу; сквозь неё ничего не видно. Поскольку она непрозрачная, вы можете решить, что атомы алюминия:
1. Настолько крупные, что между ними нет просветов,
2. Настолько плотные и твёрдые, что свет сквозь них не проходит.
Насчёт первого пункта вы будете правы; в твёрдом веществе между двумя атомами почти нет свободного пространства. Это можно наблюдать на изображениях атомов, полученных при помощи особых микроскопов; атомы похожи на маленькие сферы (краями которых служат края электронных облаков), и они довольно плотно упакованы. Но со вторым пунктом вы ошибётесь.
Рис. 4
Если бы атомы были непроницаемыми, тогда сквозь алюминиевую фольгу ничто не смогло бы пройти – ни фотоны видимого света, ни рентгеновские фотоны, ни электроны, ни протоны, ни атомные ядра. Всё, что вы направили бы в сторону фольги, либо застревало бы в ней, либо отскакивало бы – точно так же, как любой кинутый объект должен отскочить или застрять в гипсокартонной стенке (рис. 3). Но на самом деле электроны высокой энергии легко могут пройти через кусочек алюминиевой фольги, как и рентгеновские фотоны, высокоэнергетические протоны, высокоэнергетические нейтроны, высокоэнергетические ядра, и так далее. Электроны и другие частицы – почти все, если точнее – могут пройти через материал, не потеряв ни энергии, ни импульса в столкновениях с чем-либо, содержащимся внутри атомов. Лишь малая часть их ударится об атомное ядро или электрон, и в этом случае они могут потерять большую часть своей начальной энергии движения. Но большая часть электронов, протонов, нейтронов, рентгеновских лучей и всякого такого просто спокойно пройдут насквозь (рис. 4). Это не похоже на швыряние гальки в стену; это похоже на швыряние гальки в сетчатый забор (рис. 5).
Рис. 5
Чем толще фольга – к примеру, если складывать всё больше и больше листов фольги вместе – тем вероятнее частицы, запущенные в неё, столкнуться с чем-либо, потеряют энергию, отскочат, изменят направление движения или даже остановятся. То же было бы верно, если бы вы наслаивали одну за другой проволочные сетки (рис. 6). И, как вы понимаете, из того, насколько далеко средняя галька может проникнуть сквозь слои сетки и насколько велики разрывы в сетке, учёные могут подсчитать на основании пройденной электронами или атомными ядрами дистанции, насколько атом пустой.
Рис. 6
Посредством таких экспериментов физики начала XX века установили, что внутри атома ничто – ни атомное ядро, ни электроны – не может быть большим, чем одна тысячная миллионных миллионных долей метра, то есть в 100 000 раз меньше самого атома. То, что такого размера достигает ядро, а электроны по меньшей мере в 1000 раз меньше, мы устанавливаем в других экспериментах – например, в рассеянии высокоэнергетических электронов друг с друга, или с позитронов.
Чтобы быть ещё более точным, следует упомянуть, что некоторые частицы потеряют часть энергии в процессе ионизации, в котором электрические силы, действующие между летящей частицей и электроном, могут вырвать электрон из атома. Это дальнодействующий эффект, и столкновением на самом деле не является. Итоговая потеря энергии значительна для летящих электронов, но не для летящего ядра.
Вы можете задуматься над тем, похоже ли то, как частицы проходят сквозь фольгу, на то, как пуля проходить сквозь бумагу – расталкивая части бумаги в стороны. Возможно, первые несколько частиц просто расталкивают атомы в стороны, оставляя большие отверстия, через которые проходят последующие? Мы знаем, что это не так, поскольку мы можем провести эксперимент, в котором частицы проходят внутрь и наружу контейнера, сделанного из металла или стекла, внутри которого вакуум. Если бы частица, проходя через стенки контейнера, создавала отверстия по размеру превышающие атомы, тогда внутрь устремились бы молекулы воздуха, и вакуум бы исчез. Но в таких экспериментах вакуум остаётся!
Также довольно легко определить, что ядро – это не особенно структурированная кучка, внутри которой нуклоны сохраняют свою структуру. Об этом уже можно догадаться по тому факту, что масса ядра очень близка к сумме масс содержащихся в нём протонов и нейтронов. Это выполняется и для атомов, и для молекул – их массы почти равны сумме масс их содержимого, кроме небольшой коррекции на связывающую энергию – и это отражено в том факте, что молекулы довольно легко разбить на атомы (к примеру, нагрев их так, чтобы они сильнее сталкивались друг с другом), и выбить электроны из атомов (опять-таки, при помощи нагрева). Сходным образом относительно легко разбить ядра на части, и этот процесс будет называться расщеплением, или собрать ядро из более мелких ядер и нуклонов, и этот процесс будет называться синтезом. К примеру, относительно медленно двигающиеся протоны или небольшие ядра, сталкивающиеся с более крупным ядром, могут разбить его на части; нет необходимости, чтобы сталкивающиеся частицы двигались со скоростью света.
Рис. 7
Но чтобы понять, что это не является неизбежным, упомяну, что этими свойствами не обладают сами протоны и нейтроны. Масса протона не равняется примерной сумме масс содержащихся в нём объектов; протон нельзя разбить на части; а для того, чтобы протон продемонстрировал что-нибудь интересное, необходимы энергии, сравнимые с энергией массы самого протона. Молекулы, атомы и ядра относительно просты; протоны и нейтроны чрезвычайно сложны.