Що пояснила протонно-нейтронна модель атома

1. Альфа-випромінювання, як потік ядер гелію (Не), що складаються з двох протонів і двох нейтронів, відбувається з ядер атомів. В ядрі є протони і нейтрони, які в силу енергетичних умов як би злипаються в ядра гелію і просочуються з ядра. Ядро, як і атом, не має перегородок і стінок. Сили, що утримують протони і нейтрони в ядрі, значно більше сил, які витісняють альфа-частинки (ядра гелію) з ядра. Вчені пояснюють це явище

«Тунельним ефектом», т. Е. Хвильової природою альфа-випромінювання.

2. Бета-випромінювання існує двох видів: бета-електронне і бета-

позитронне. Перше виникає в результаті розпаду в ядрі

нейтрона на протон, електрон і електронне антинейтрино, друге - в

Внаслідок розпаду високоенергетичних протонів на нейтрон, позитрон і електронне нейтрино. За масою протон менше нейтрона, але в ядрі виникають протони з додатковою енергією-масою від впливу з іншими частинками ядра.

3. Гамма-випромінювання або потік гамма-квантів електромагнітного випромінювання, виникає при переході ядра атома на енергетичні рівні свого збудженого стану. Кванти світла і гаммакванти мають одну і ту ж електромагнітну природу: фотони виникають при збудженому атомі в цілому (перехід електрона на різні енергетичні рівні), фотони гамма-випромінювання - при переході ядра атома з одних енергетичних рівнів на інші. Енергія гамма-квантів в сотні тисячі разів перевершує енергію фотонів (квантів світла), що виникають поза ядра атома.

4. Ця модель стала теоретичною основою для пояснення фізико-хімічних процесів, що відбуваються всередині зірок. У 1938 р була запропонована модель вуглецево-азотного циклу внутрішньо-зіркового джерела енергії. Ця модель запропонована X. Бете (р. 1906) - вчений німецького походження, який працював в основному в США. У цій моделі присутня незвичайна частка нейтрино, зменшувальне від слова нейтрон. Нейтрино (v) стабільна частка, яка не має енергетичного заряду, з нульовою масою і спіном - 1/2. Вона слабо взаємодіє з речовиною, безперешкодно проходячи через ядра його атомів. Нейтрино було теоретично передбачене В. Паулі в 1933 р Згідно В. Паулі, при здійсненні двох видів бета-розпаду не повинні порушуватися закони збереження енергії, імпульсу та електричного заряду. Це означає, що при розпаді нейтрона в атомі на протон і електрон присутня ще одна частинка, яку назвали нейтрино: п -> p + + e - (ще одна частинка). До 1955 р нейтрино було ненаблюдаемой часткою. Нейтрино має античастицу, в якій напрям її спина збігається з напрямком руху самої частки. Нейтрино не бере участі в сильних ядерних взаємодіях, але виникає всередині ядра, і існування нейтрино пояснює багато питань слабкої взаємодії між частинками. Сучасна астрофізика підтвердила правильність протонно-нейтронної моделі атома: спостерігаються зірки, включаючи Сонце, являють собою розжарені стійкі газоподібні «кулі». Їх існування підтримується повільним перетворенням (згорянням) водню

в гелій в результаті циклу реакцій

ядерного ділення і синтезу, який називається вуглецевим чи углеродо-

Моделі пояснення сил фізичної взаємодії в атомі

У першій половині минулого століття не було відомо, що протон і нейтрон мають складні будови. Спочатку мова йшла про спроби пояснити стійкість і цілісність атома на основі сили тяжіння і електромагнітної сили. Фізик Е. Фермі (1901-1954) сформулював гіпотезу, за якою стійкість ядер забезпечується обміном між протонами і нейтронами двома частками: електроном і нейтрино. Обчислення енергії маси цих часток показали, що електрон при цій взаємодії повинен мати масу, в

200-300 разів перевищує масу звичайного електрона. При такій масі електрона розмір ядра атома також повинен збільшитися в 200-300 разів в порівнянні з дійсним. Довжина дебройлевской хвилі такого електрона перевищує в 200-300 разів довжину відповідної хвилі звичайного електрона.

Інша модель пропонувала розглядати протон і нейтрон як стан однієї і тієї ж частинки, що розрізняються напрямом їх спинив. Але енергія-маса цих часток різниться, хоча й несуттєво, отже, виникає питання про те, куди вона дівається всередині ядра атома. У 1935 р японський фізик X. Юкава запропонував несподіване рішення цієї проблеми: протони і

Нейтрони утримуються в ядрі в результаті обміну якоїсь середньої

часткою. Згодом цю частку назвали мезоном (грец. Mesoc - середній).

Обчислення цієї частки показали, що вона повинна бути по масі в 200 разів більше електрона і мати три різновиди: позитивний, негативний і нейтральний мезон. Крім того, довжина його дебройлевской хвилі не повинна виходити за межі розмірів ядра атома.

З пропозиції X. Юкава випливало, що сильна взаємодія всередині ядра забезпечує обмін часток, що мають середню величину між масами протона

і нейтрона, а не гравітаційні, електромагнітні і слабкі сили взаємодії. Незвичайність цієї гіпотези полягає в тому, що, наприклад, протон, віддаючи частину своєї енергії-маси в формі маси відповідного мезона, утворює частку з більшою масою, нейтрон. X. Юкава висловив думку, що мезон не є стабільною часткою, а може розпадатися на інші частинки.

Гіпотеза X. Юкава виявилася прозорливо: в 1937 р були відкриті частки,

збігаються за своїми фізичними властивостями з гіпотетичним мезоном X. Юкава. Коли були відкриті інші різновиди мезонів (середніх частинок), частку X. Юкава назвали мюонів, важкий еквівалент електрона: заряд його негативний, як у електрона, маса в 200 разів більше, ніж у електрона. У 1940

м було доведено, що мезони не є стабільними частинками. З другої половини ХХ ст. фізики відкрили більше 300 частинок різних видів. Частина з них була виявлена ​​в космічних променях, інша - в експериментах. Наприклад, в

1964 р були виявлені так звані дивні частинки, що мають три дивні речі, що відрізняють їх від інших відомих частинок:

- виявлені в космічних променях, і час їхнього життя є досить тривалим (час, за яке вони розпадаються, становить 10-8-10-10 с);

- виникають в сильних ядерних взаємодіях, але не грають в них значної ролі;

- народжуються трійками і парами.

Частинки, які можуть розпадатися за рахунок сильної взаємодії, називаються резонансними частинками. Час їх життя порядку 10-23 с. Резонанси (лат. Resonans - дає відгук) відносяться до адронів. Віртуальними частинками називаються частинки, що виникають в проміжних станах, час їх існування пов'язане з їх енергією співвідношенням невизначеностей. Інакше кажучи, вони забезпечують взаємодію між частинками всередині ядра і атома.

Велика кількість частинок зажадало створення системи критеріїв та принципів їх класифікації. На основі протонно-нейтронної моделі атома всі відомі частинки і відповідні їм античастинки розділили на

Перша група називається фотонної. Вона представлена ​​фотонами-квантами електромагнітного взаємодії. До цієї групи відносять і гіпотетичну частку гравітон, що забезпечує гравітаційні взаємодії.

Друга група - лептони (грец. Leptoc - легкий). Ці частинки беруть участь в електромагнітних і слабких взаємодіях. До лептонам відносяться електрон, мюон, тау-частинка і нейтрино (електронне, мюонне і Таон). термін

«Лептон» вживається за прийнятою традиції. Наприклад, Таон не є легким, оскільки його маса в 3500 разів більше маси електрона.

Третя група включає адрони (грец. Hadroc - сильний, великий). ця

група є основною групою усіх відомих частинок. Частинки, які включаються в цю групу, беруть участь в сильних, слабких і електромагнітних взаємодіях. До третьої групи відносять також мезони (піони, каона, ця-мезони) і баріони (гіперони, нуклони). Ядерна фізика (грец. Barus - важкий) - це частинки з напівцілим спіном і масою менше протона. До них відносяться нуклони, гіперонів і багато частинок-резонанси. Заряд баріону дорівнює +1, заряд

антібаріонов дорівнює -1. Алгебраїчна сума зарядів баріонів при їх

взаємодіях зберігається. Існують баріони, маса яких в кілька разів перевищує масу протона. Вони відкриті в космічних променях і на прискорювачах.

Поява в 1963 р теорії кварків відкрило ще один рівень в розумінні процесів і подій, що відбуваються в мікросвіті.

Два американських фізика М. Гелл-Ман і Д. Цвейг висунули незалежно один

від одного гіпотезу про існування понад елементарні частинок, з яких складаються протони, нейтрони та інші адрони, а також, можливо, і лептони.

Для позначення цих частинок Гелл-Ман придумав назву «кварк», яке

він запозичив з фрази «три кварка для містера Марка» з роману Дж. Джойса

«Поминки по Финнегану». Д. Цвейг використовував інший термін, але термін

Розвиток цієї теорії спирався на непрямі емпіричні докази існування кварків. Електрон приблизно в 1870 разів за своїм розміром менше протона, фізичні параметри цих частинок добре вивчені (заряд, спін

та інші), якщо направити промінь-потік електронів з енергією, достатньою для того, щоб вони відскакували від протона, то за величиною швидкості відскоку від протона електронів можна говорити про будову протона. Виявилося, що протон складається з частин, радіус яких в 10 разів менше радіуса протона. Оскільки протон і нейтрон беруть участь у сильній взаємодії, то припустили, що всі частинки, які беруть участь у сильній взаємодії, мають складову структуру. Розрахунки показували, що кварки повинні мати полуце-

лий спин. Це означає, що на їх розташування у відповідних частках

поширюється принцип Паулі: в частці з кварків не може бути тотожних за фізичними параметрами кварків.

Розширення числа кварків було обумовлено відкриттям великої кількості частинок, що беруть участь у сильній взаємодії. Спочатку була висунута ідея про існування трьох кварків, потім радянські фізики ввели кольору для кварків (синій, зелений, червоний).

Принцип зарядовим симетрії (кожній частинці відповідає античастинка) зажадав введення антикварків для кожного кварка. Колір кварків - це фізичний параметр, що дозволяє розрізняти кварки, що збігаються по іншим фізичним параметрам. Інакше кажучи, цього вимагає принцип Паулі, оскільки кварки мають напівцілий ізотопічний спин. слово

«Ізотопний» запозичене з грецької мови: «з» означає рівний,

«Топос» - місце. Ізотопічний спин означає спин, що відноситься до однієї і тієї ж групи частинок.

Аромат кварка - це тип або вид кварка і всі його параметри, які не залежать

від його кольору. Наприклад, в 1974 р був відкритий мезон, що отримав назву джі- пси. Виявилося, що структура його подібна будовою атома водню (протон - обертається електрон), тільки для пояснення цієї структури довелося ввести новий кварк, названий кварком чарівності: будова мезона джи-пси пояснюється наявністю в ньому кварка-чарівності, навколо якого обертається його антікварк. Антикварки позначаються тими ж символами кварків з рискою нагорі.

В кінці ХХ ст. виникла ідея про існування шести кварків (верхнього, нижнього, дивного, зачарованого, істинного, чарівного). Кожен має три кольори: червоний, синій, зелений.

Кварки позначаються першими буквами англійських слів, наприклад: і (від англ.

up - верхній), d (down - нижній) і т. д. Кожен кварк має три кольори

(Наприклад, верхній червоний, верхній синій, верхній зелений).

Відповідно до теорії кварків протон, наприклад, складається з двох верхніх кварків

(І) і одного нижнього (d), а нейтрон - з двох нижніх і одного верхнього: p = uud, n - ddu. При цьому частка з кварків повинна задовольняти законам, що діють в мікросвіті. Навколо гіпотези про існування кварків виникла гостра дискусія: 1) які сили утримували кварки в адронів (мезони, ну-

клони і деякі інші)? 2) чи не є вони вже відомими силами? 3)

чи не існують ще більш глибокі частки, які забезпечують взаємодію між кварками? 4) не є лептони, що претендують на самі елементарні частинки, похідними від якихось ще більш глибоких часток, на рівні вакууму? 5) яке з енергетичних станів вакууму представляють кварки? На роль частинок, що зв'язують кварки всередині адронів, були запропоновані глюони. На думку ряду фізиків, глюони, подібно фотонам в електромагнітному полі атома, пов'язують кварки всередині адронів, але сила глюонного взаємодії принципово відрізняється від відомих сил взаємодії: глюонів сили збільшуються до кордонів адронів і послаблюють свою дію до центру адронів. У зв'язку з цим часто говорять про кварковой в'язниці: чим ближче до центру енергії-маси адрону, тим яскравіше проявляються фізичні риси і індивідуальності, присутніх в адрони кварків, і навпаки, чим ближче до кордонів адрону, тим розпливчастіші стає індивідуальність кварків, вони стають невиразними . Цією обставиною багато фізиків пояснюють неможливість виділити кварки безпосереднім чином як електрони, фотони і інші виявлені частинки. Для їх виявлення необхідна величезна енергія, яка дозволила

б зруйнувати глюонної сили. Якщо глюони, як переносники зв'язку між кварками, існують, то відповідно до принципу зарядовим симетрії повинні бути антіглюони і нейтральні глюони.

В кінці ХХ ст. пакистанський фізик А. Салам і англійський фізик Д. Паті висунули «крамольну» ідею про те, що і лептони, яких шість, не є в буквальному сенсі істинно-елементарними, а є всього лише четвертим кольоровим станом кварків. Головна ідея цієї теорії виглядає досить правдоподібною. Будь-яку частку (як корпускулу або хвилю) не можна відокремити від енергетичної, структурної середовища, в якій вона виникає. Тому кожна частинка виникає як своєрідний центр концентрації енергії на загальному тлі середовища свого існування. Теорія Салама - Паті передбачає, що кожен лептон є концентрацією часток ще більш глибокого рівня, передає взаємодія на рівні фізичного вакууму.

На роль цих частинок можуть претендувати хіггсони. названі на честь англійського фізика П. Хіггсона, який є одним з перших серед фізиків, які зацікавилися станом самого

глибокого вакууму. У вакуумі Хіггсона фундаментальними частинками самого

першого покоління є хіггсони.