чему равно число протонов в атоме

Химические элементы

Химический элемент

Надо заметить, что на экзамене часто из карточки элемента скрывают распределение электронов и конфигурацию внешнего уровня. Тем не менее, если вы успешно освоили предыдущую тему, то для вас не составит труда написать электронную конфигурацию атома зная его порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева (номер уж точно не тронут!))

Протоны, нейтроны и электроны

Вы уже знаете, что порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов, а число протонов равно числу электронов.

Для того чтобы найти число нейтронов в атоме алюминия, необходимо вычесть из атомной массы число протонов:

Получается, что в атоме алюминия 14 нейтронов. Посчитайте число нейтронов, электронов и протонов самостоятельно для атомов бериллия, кислорода, меди. Решение вы найдете ниже.

Если вы поняли суть и научились считать протоны, нейтроны и электроны, самое время приступать к следующей теме.

Изотопы

Лучше всего объяснить, что такое изотопы наглядным примером. Широко известны три изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий.

Рассмотрим пример с изотопами лития. Самостоятельно посчитайте количество нейтронов у каждого изотопа. Найдите тот, который включен в таблицу Д.И. Менделеева.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Число протонов нейтронов электронов в атоме элемента (Таблица)

Число протонов нейтронов и электронов в атоме химического элемента (изотопа) можно определить, зная порядковый номер элемента в периодической таблице Менделеева и его атомную массу:

— Число протонов = число электронов = порядковый номер элемента

— Число нейтронов = атомная масса – число протонов

Вычислим число нейтронов в атоме на примере кислорода 16 O:

Таблица число протонов нейтронов электронов в атоме химического элемента

Справочная таблица содержит список элементов (изотопов) и их число протонов, нейтронов и электронов, а также атомную массу изотопа.

Элемент, изотоп	Число протонов (= электронов)	Число нейтронов	Атомная масса изотопа
1 H	1	0	1,0078
2 H	1	1	2,0141
3 He	2	1	3,0160
4 He	2	2	4,0026
6 Li	3	3	6,0151
7 Li	3	4	7,0160
9 Be	4	5	9,0122
10 B	5	5	10,0129
11 B	5	6	11,0093
12 C	6	6	12,0000
13 C	6	7	13,0034
14 N	7	7	14,0031
15 N	7	8	15,0001
16 O	8	8	15,9949
17 O	8	9	16,9991
18 O	8	10	17,9992
19 F	9	10	18,9984
20 Ne	10	10	19,9924
21 Ne	10	11	20,9938
22 Ne	10	12	21,9914
23 Na	11	12	22,9898
24 Mg	12	12	23,9850
25 Mg	12	13	24,9858
26 Mg	12	14	25,9826
27 Al	13	14	26,9815
28 Si	14	14	27,9769
29 Si	14	15	28,9765
30 Si	14	16	29,9738
31 P	15	16	30,9738
32 S	16	16	31,9721
33 S	16	17	32,9715
34 S	16	18	33,9679
36 S	16	20	35,9671
35 Cl	17	18	34,9689
37 Cl	17	20	36,9659
36 Ar	18	18	35,9675
38 Ar	18	20	37,9627
40 Ar	18	22	39,9624
39 K	19	20	38,9637
40 K*	19	21	39,9640
41 K	19	22	40,9618
40 Ca	20	20	39,9626
42 Ca	20	22	41,9586
43 Ca	20	23	42,9588
44 Ca	20	24	43,9555
46 Ca	20	26	45,9537
48 Ca*	20	28	47,9525
45 Sc	21	24	44,9559
46 Ti	22	24	45,9526
47 Ti	22	25	46,9518
48 Ti	22	26	47,9479
49 Ti	22	27	48,9479
50 Ti	22	28	49,9448
50 V*	23	27	49,9472
51 V	23	28	50,9440
50 Cr	24	26	49,9460
52 Cr	24	28	51,9405
53 Cr	24	29	52,9406
54 Cr	24	30	53,9389
55 Mn	25	30	54,9380
54 Fe	26	28	53,9396
56 Fe	26	30	55,9349
57 Fe	26	31	56,9354
58 Fe	26	32	57,9333
59 Co	27	32	58,9332
58 Ni	28	30	57,9353
60 Ni	28	32	59,9308
61 Ni	28	33	60,9311
62 Ni	28	34	61,9283
64 Ni	28	36	63,9280
63 Cu	29	34	62,9296
65 Cu	29	36	64,9278
64 Zn	30	34	63,9291
66 Zn	30	36	65,9260
67 Zn	30	37	66,9271
68 Zn	30	38	67,9248
70 Zn	30	40	69,9253
69 Ga	31	38	68,9256
71 Ga	31	40	70,9247
70 Ge	32	38	69,9242
72 Ge	32	40	71,9221
73 Ge	32	41	72,9235
74 Ge	32	42	73,9212
75 As	33	42	74,9216
74 Se	34	40	73,9225
76 Se	34	42	75,9192
77 Se	34	43	76,9199
78 Se	34	44	77,9173
80 Se	34	46	79,9165
82 Se *	34	48	81,9167
79 Br	35	44	78,9183
81 Br	35	46	80,9163
78 Kr *	36	42	77,9204
80 Kr	36	44	79,9164
82 Kr	36	46	81,9135
83 Kr	36	47	82,9141
84 Kr	36	48	83,9115
86 Kr	36	50	85,9106
85 Rb	37	48	84,9118
87 Rb*	37	50	86,9092
84 Sr	38	46	83,9134
86 Sr	38	48	85,9093
87 Sr	38	49	86,9089
88 Sr	38	50	87,9056
89 Y	39	50	88,9058
90 Zr	40	50	89,9047
91 Zr	40	51	90,9056
92 Zr	40	52	91,9050
94 Zr	40	54	93,9063
93 Nb	41	52	92,9064
92 Mo	42	50	91,9068
94 Mo	42	52	93,9051
95 Mo	42	53	94,9058
96 Mo	42	54	95,9047
97 Mo	42	55	96,9060
98 Mo	42	56	97,9054
100 Mo*	42	58	99,9075
96 Ru	44	52	95,9076
98 Ru	44	54	97,9053
99 Ru	44	55	98,9059
100 Ru	44	56	99,9042
101 Ru	44	57	100,9056
102 Ru	44	58	101,9043
104 Ru	44	60	103,9054
103 Rh	45	58	102,9055
102 Pd	46	56	101,9056
104 Pd	46	58	103,9040
105 Pd	46	59	104,9051
106 Pd	46	60	105,9035
108 Pd	46	62	107,9039
110 Pd	46	64	109,9052
107 Ag	47	60	106,9051
109 Ag	47	62	108,9048
106 Cd	48	58	105,9065
108 Cd	48	60	107,9042
110 Cd	48	62	109,9030
111 Cd	48	63	110,9042
112 Cd	48	64	111,9028
113 Cd*	48	65	112,9044
114 Cd	48	66	113,9034
116 Cd*	48	68	115,9048
113 In	49	64	112,9041
115 In*	49	66	114,9039
112 Sn	50	62	111,9048
114 Sn	50	64	113,9028
115 Sn	50	65	114,9033
116 Sn	50	66	115,9017
117 Sn	50	67	116,9030
118 Sn	50	68	117,9016
119 Sn	50	69	118,9033
120 Sn	50	70	119,9022
122 Sn	50	72	121,9034
124 Sn	50	74	123,9053
121 Sb	51	70	120,9038
123 Sb	51	72	122,9042
120 Te	52	68	119,9040
122 Te	52	70	121,9030
123 Te	52	71	122,9043
124 Te	52	72	123,9028
125 Te	52	73	124,9044
126 Te	52	74	125,9033
128 Te*	52	76	127,9045
130 Te*	52	78	129,9062
127 I	53	74	126,9045
124 Xe*	54	70	123,9059
126 Xe	54	72	125,9043
128 Xe	54	74	127,9035
129 Xe	54	75	128,9048
130 Xe	54	76	129,9035
131 Xe	54	77	130,9051
132 Xe	54	78	131,9042
134 Xe	54	80	133,9054
136 Xe*	54	82	135,9072
133 Cs	55	78	132,9055
130 Ba*	56	74	129,9063
132 Ba	56	76	131,9051
134 Ba	56	78	133,9045
135 Ba	56	79	134,9057
136 Ba	56	80	135,9046
137 Ba	56	81	136,9058
138 Ba	56	82	137,9052
138 La*	57	81	137,9071
139 La	57	82	138,9064
136 Ce	58	78	135,9072
138 Ce	58	80	137,9060
140 Ce	58	82	139,9054
142 Ce	58	84	141,9092
141 Pr	59	82	140,9077
142 Nd	60	82	141,9077
143 Nd	60	83	142,9098
144 Nd*	60	84	143,9101
145 Nd	60	85	144,9126
146 Nd	60	86	145,9131
148 Nd	60	88	147,9169
150 Nd*	60	90	149,9209
144 Sm	62	82	143,9120
147 Sm*	62	85	146,9149
148 Sm*	62	86	147,9148
149 Sm	62	87	148,9172
150 Sm	62	88	149,9173
152 Sm	62	90	151,9197
154 Sm	62	92	153,9222
151 Eu*	63	88	150,9199
153 Eu	63	90	152,9212
152 Gd*	64	88	151,9198
154 Gd	64	90	153,9209
155 Gd	64	91	154,9226
156 Gd	64	92	155,9221
157 Gd	64	93	156,9240
158 Gd	64	94	157,9241
160 Gd	64	96	159,9271
159 Tb	65	94	158,9253
156 Dy	66	90	155,9243
158 Dy	66	92	157,9244
160 Dy	66	94	159,9252
161 Dy	66	95	160,9269
162 Dy	66	96	161,9268
163 Dy	66	97	162,9287
164 Dy	66	98	163,9292
165 Ho	67	98	164,9303
162 Er	68	94	161,9288
164 Er	68	96	163,9292
166 Er	68	98	165,9303
167 Er	68	99	166,9320
168 Er	68	100	167,9324
170 Er	68	102	169,9355
169 Tm	69	100	168,9342
168 Yb	70	98	167,9339
170 Yb	70	100	169,9348
171 Yb	70	101	170,9363
172 Yb	70	102	171,9364
173 Yb	70	103	172,9382
174 Yb	70	104	173,9389
176 Yb	70	106	175,9426
175 Lu	71	104	174,9408
176 Lu*	71	105	175,9427
174 Hf*	72	102	173,9400
176 Hf	72	104	175,9414
177 Hf	72	105	176,9432
178 Hf	72	106	177,9437
179 Hf	72	107	178,9458
180 Hf	72	108	179,9466
181 Ta	73	108	180,9480
180 W*	74	106	179,9467
182 W	74	108	181,9482
183 W	74	109	182,9502
184 W	74	110	183,9509
186 W	74	112	185,9544
185 Re	75	110	184,9530
187 Re*	75	112	186,9558
184 Os	76	108	183,9525
186 Os*	76	110	185,9538
187 Os	76	111	186,9558
188 Os	76	112	187,9558
189 Os	76	113	188,9581
190 Os	76	114	188,9581
192 Os	76	116	191,9615
191 Ir	77	114	190,9606
193 Ir	77	116	191,9626
190 Pt*	78	112	189,9599
192 Pt	78	114	191,9610
194 Pt	78	116	193,9627
195 Pt	78	117	194,9648
196 Pt	78	118	195,9650
198 Pt	78	120	197,9679
197 Au	79	118	196,9666
196 Hg	80	116	195,9658
198 Hg	80	118	197,9668
199 Hg	80	119	198,9683
200 Hg	80	120	199,9683
201 Hg	80	121	200,9703
202 Hg	80	122	201,9706
204 Hg	80	124	203,9735
203 Tl	81	122	202,9723
205 Tl	81	124	204,9744
204 Pb	82	122	203,9730
206 Pb	82	124	205,9745
207 Pb	82	125	206,9759
208 Pb	82	126	207,9767
209 Bi*	83	126	208,9804
232 Th*	90	142	232,0381
235 U*	92	143	235,0439

* это нестабильные изотопы и с большим периодом полураспада, который равняется возрасту Вселенной.

Источник

Просто о химии. Атом.

Для того что бы понимать химические процессы необходимо подробно знать строение атома.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ядро атома состоит из двух видов частиц: нейтронов, не имеющих заряда и положительно заряженных протонов, которые и определяют положительный заряд ядра.

Вокруг ядра атома вращаются отрицательно заряженные электроны, образующие электронное облако – совокупность всех электронов в атоме. О том, что такое электронное облако и электронное строение атома будет отдельная тема.

Число протонов равно числу электронов, поэтому атом – электронейтральная частица. Вспомните из школьного курса химии формулу: A = Z + N

Масса протонов и нейтронов приблизительно одинакова и равна

1,67 * 10^(-27) кг. Масса электрона, в свою очередь, примерно равна 9,11 * 10^(-31) кг, поэтому основная масса атома сосредоточена в ядре.

Рассмотрим основные параметры, характеризующие атом

Атомный номер (порядковый номер) Z – номер химического элемента, определяемый по периодической системе элементов. Атомный номер элемента показывает количество протонов и электронов в элементе.

Атомная масса, а точнее относительная атомная масса – масса атома, выраженная в атомных единицах массы (а.е.м.). Она определяется как отношение массы данного атома к 1/12 массы нейтрального изотопа углерода 12С.

К понятию атомная масса близко понятие массовое число А – сумма чисел протонов и нейтронов (нуклонов) атома. Но численно оно равно только для изотопа углерода 12С, для остальных элементов массовое число – целочисленное значение, а относительная атомная масса нет. Например: массовое число изотопа водорода равно 1, а относительная атомная масса 1,00794 (см картинку)

А что такое изотопы?

Электронная формула (конфигурация) – порядок заполнения электронов по различным электронным оболочкам.

Думаю, что на это стоит остановиться, ибо все в одном посте не охватишь.

Следующие посты будут посвящены электронному строению атома, истории открытия атома и развитию представлений о его строении.

Лучше дальше в глубь про элементарные частицы на понятном русском

Про водород не знала. Спасибо.

Будете рассказывать про атомные орбитали, не ограничтесь d и f-орбиталями.

автор решил копировать учебник по химии?

Но ведь доказано, что это коммунистические бредни.

В чем смысл? Это ведь даже баяном назвать нельзя. В любом учебнике, на любом обучающем химии сайте открыл и читаешь. Где так же кратко, где короче, где длиннее. Еще и коряво местами, чу.

Странно, атом неделимый, но он делится. Так может через Х-лет и частички атома начнем делить, а потом частички частичек. Вот будет весело через ХХХ-лет, когда на атоме будут жить наши разумные потомки и недоумевать почему же наша планета неделимая.

Что скрывают протоны?

Двадцать лет назад физики начали исследовать загадочную асимметрию внутреннего строения протона. Результаты их работы, опубликованные в конце февраля 2021 года, объясняют, как антивещество помогает стабилизировать ядро каждого атома.

Очень редко упоминается тот факт, что протоны — позитивно заряженные частицы в центре атома — являются отчасти антивеществом.

Издалека кажется, что протон состоит из трех частиц под названием кварки. Но если приглядеться получше, можно увидеть множество появляющихся и исчезающих частиц.

На самом деле, внутри протона вращается вихрь из меняющегося количества шести типов кварков, их противоположно заряженных аналогов из антивещества (антикварков) и глюонов, элементарных безмассовых частиц, которые связывают вместе другие частицы, трансформируются в них и быстро множатся. Каким-то образом этот бурлящий вихрь оказывается совершенно стабильным и на первый взгляд простым, имитируя по определенным аспектам трио кварков. «То, как это все функционирует, честно говоря, похоже на чудо», — отметил Дональд Гисаман, физик-ядерщик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе.

Тридцать лет назад исследователи обнаружили поразительное свойство этого «протонного моря». Теоретики ожидали, что различные типы антивещества в нем будут распределены равномерно, но было похоже, что количество нижних антикварков значительно превышало количество верхних антикварков. Затем десять лет спустя другая группа исследователей заметила намеки на неподдающиеся объяснению вариации в соотношении верхних и нижних антикварков. Но эти результаты были на грани чувствительности эксперимента.

Итак, 20 лет назад Дональд Гисаман и его коллега Пол Раймер начали работать над новым экспериментом, чтобы получше разобраться в этом вопросе. Эксперимент, получивший название SeaQuest («Морской квест»), наконец завершился, и исследователи опубликовали его результаты в журнале Nature. Они измерили внутреннее антивещество протона тщательнее, чем когда бы то ни было, и обнаружили, что на каждый верхний антикварк в среднем приходится 1,4 нижних антикварка.

Самуэль Веласко / Quanta Magazine

Эти данные непосредственно говорят в пользу двух теоретических моделей протонного моря. «Появилось первое реальное доказательство, подтверждающее эти модели», — сказал Раймер.

Одна из них — модель «пионного облака» — это популярный подход, существующий уже несколько десятилетий, который делает упор на тенденцию протона испускать и реабсорбировать частицы под названием пионы, которые принадлежат к группе частиц, известных как мезоны. Вторая, так называемая статистическая модель, рассматривает протон как контейнер, наполненный газом.

Дальнейшие запланированные эксперименты помогут исследователям выбрать одну из этих двух моделей. Но какая бы из них ни была верной, массив данных эксперимента SeaQuest о внутреннем антивеществе протона принесет непосредственную пользу, особенно физикам, которые сталкивают протоны на околосветовых скоростях на Большом адронном коллайдере. Обладая точной информацией о составе сталкиваемых объектов, они смогут более эффективно разбирать продукты, оставшиеся после столкновения, в поисках доказательств существования новых частиц или эффектов. Хуан Рохо из Амстердамского свободного университета, который оказывает помощь в анализе данных БАК, считает, что результаты эксперимента SeaQuest могут иметь большое влияние на поиски новой физики, которые в настоящее время «ограничены нашими знаниями о структуре протона, в частности о его антивеществе».

В течение короткого периода времени около полувека назад физики полагали, что разобрались с протоном.

В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили модель, получившую впоследствии название кварковая: идея заключалась в том, что протоны, нейтроны и связанные с ними более редкие частицы представляют собой пучки из трех кварков (как их назвал Гелл-Манн), а пионы и другие мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка. Такая схема объясняла какофонию частиц, разлетающихся из ускорителей частиц высокой энергии, поскольку спектр их зарядов мог быть построен из двух- и трехчастных комбинаций. Затем, примерно в 1970 году, исследователи, работающие на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC), казалось, подтвердили кварковую модель: выстрелив высокоскоростными электронами в протоны, они увидели, как электроны отрикошетили от объектов внутри.

Но вскоре картина стала менее ясной. «По мере того, как мы все тщательнее пытались измерить свойства этих трех кварков, мы обнаружили, что происходит что-то еще», — сказал Чак Браун, 80-летний член команды SeaQuest из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб), работающий над кварковыми экспериментами с 1970-х годов.

Изучение импульса трех кварков показало, что их массы составляют малую часть общей массы протона. Кроме того, когда исследователи на SLAC стреляли электронами на большей скорости в протоны, они увидели, что электроны отталкивают больше частиц внутри. Чем быстрее электроны, тем короче их длина волны, что сделало их чувствительными к более мелким элементам протона; это похоже на увеличение разрешения микроскопа. Открывались все новые и новые внутренние частицы, которым, казалось, нет конца. «Мы не знаем, где предел и какое самое высокое разрешение возможно получить», — сказал Гисаман.

Результаты стали иметь больше смысла, когда физики разработали истинную теорию, к которой кварковая модель лишь приближается: квантовая хромодинамика или КХД. КХД, сформулированная в 1973 году, описывает «сильное взаимодействие», самую большую силу в природе, с помощью которой частицы под названием глюоны связывают пучки кварков.

КХД предсказывает тот самый вихрь, который был выявлен в экспериментах по рассеянию. Сложности возникают из-за того, что глюоны ощущают ту самую силу, которую они несут. Этим они отличаются от фотонов, несущих более простую электромагнитную силу. Это «самоуправство» создает беспорядок внутри протона, давая глюонам полную свободу действий для возникновения, размножения и расщепления на кратковременные пары кварков и антикварков. Уравновешивая друг друга, эти близко расположенные противоположно заряженные кварки и антикварки издалека остаются незамеченными. Только три несбалансированных «валентных» кварка — два верхних и нижний — составляют общий заряд протона. Но физики поняли, что стреляя электронами на большей скорости, они поражали меньшие цели.

Однако странности на этом не закончились.

Из-за самоуправства глюонов уравнения КХД невозможно решить, поэтому у физиков не получалось и до сих пор не получается рассчитать точные прогнозы теории. Но у них не было оснований предполагать, что глюоны будут расщепляться на один тип пары кварк-антикварк (а именно нижний) чаще, чем на другой. «Мы ожидали, что будет появляться равное количество тех и других пар», — сказала Мэри Альберг, теоретик-ядерщик из Сиэтлского университета, объясняя свои доводы того времени.

Мэри Альберг, физик-ядерщик из Сиэтлского университета, и ее соавторы давно утверждают, что пион играет важную роль в формировании сущности протона.

Фото предоставлено Сиэтлским университетом

Вот почему исследователей из New Muon Collaboration в Женеве так шокировали результаты эксперимента по рассеянию мюонов. В 1991г. они столкнули мюоны (более тяжелые родственники электронов) с протонами и дейтронами, состоящими из одного протона и одного нейтрона, сравнили результаты и пришли к выводу, что в протонном море больше нижних антикварков, чем верхних.

Вскоре теоретики предложили несколько возможных вариантов объяснения асимметрии протона.

Один из них связан с пионом. С 1940-х годов физики наблюдали, как протоны и нейтроны обмениваются пионами внутри атомных ядер, как игроки в команде, бросающие друг другу баскетбольные мячи, что помогает им держаться вместе. Размышляя над структурой протона, исследователи пришли к выводу, что он также может подбрасывать баскетбольный мяч себе, то есть может ненадолго испускать положительно заряженный пион, превращаясь на это время в нейтрон, и затем реабсорбировать его. «Если во время эксперимента вы думаете, что смотрите на протон, это не так, потому что на какое-то время этот протон будет переходить в состояние пары нейтрон-пион», — сказала Альберг.

Если говорить точнее, протон превращается в нейтрон и пион, состоящий из одного верхнего кварка и одного нижнего антикварка. Поскольку этот призрачный пион имеет нижний антикварк (пион с верхним антикварком не может так легко материализоваться), такие теоретики, как Альберг, Джеральд Миллер и Тони Томас, утверждали, что модель пионного облака объясняет большее количество нижних антикварков протона, выявленное в результате измерений.

Самуэль Веласко / Quanta Magazine

Появились и другие аргументы. Клод Буррели и его коллеги из Франции разработали статистическую модель, которая рассматривает внутренние частицы протона как молекулы газа в комнате, хаотично двигающиеся на разных скоростях, которые зависят от того, целым или полуцелым количеством момента импульса обладает частица. При настройке с учетом данных многочисленных экспериментов по рассеянию модель предположила преобладание антикварков.

Прогнозы двух вышеупомянутых моделей не были идентичными. Большую часть общей массы протона составляют энергии отдельных частиц, которые прорываются в протонное море и из него, и эти частицы несут различные энергии. Модели по-разному спрогнозировали, как должно измениться соотношение верхних и нижних антикварков по мере подсчета антикварков, несущих больше энергии. Физики измеряют связанную с этим величину под названием доля импульса антикварка.

Когда исследователи в Фермилабе в 1999 году в рамках эксперимента NuSea измерили соотношение верхних и нижних антикварков в качестве функции импульса антикварка, результат их работы просто воодушевил всех, вспоминает Альберг. Эти данные свидетельствуют о том, что среди антикварков с большим импульсом (настолько большим, что они находились на грани диапазона обнаружения прибора) внезапно оказалось больше верхних антикварков, чем нижних. «Каждый теоретик говорил: ‘Погодите-ка’, — сказала Альберг, — Почему кривая развернулась, когда эти антикварки получили большую долю импульса?»

Пока теоретики ломали голову над этим вопросом, Гисаман и Раймер, которые работали над экспериментом NuSea и знали, что данным на грани иногда не стоит доверять, решили построить эксперимент, где можно было бы в комфортных условиях исследовать более широкий диапазон импульсов антикварка. Они назвали его SeaQuest.

С кучей вопросов о протоне, но без денег, они начали собирать эксперимент из использованных деталей. «Нашим девизом было: снижай количество отходов, используй повторно, перерабатывай», — сказал Раймер.

Они приобрели несколько старых сцинтилляторов в лаборатории в Гамбурге, оставшиеся детекторы частиц в Лос-Аламосской национальной лаборатории и железные пластины, блокирующие радиацию, которые изначально были использованы в циклотроне Колумбийского университета в 1950-х годах. У них получилось применить магнит размером с комнату, использованный в эксперименте NuSea, и провести свой новый эксперимент на ускорителе протонов в Фермилабе. Получившийся из этих деталей «Франкенштейн» тем не менее был не лишен своего очарования. По словам Брауна, который помог найти все части, звуковой индикатор, сигнализирующий, что протоны поступают в устройство, был сделан 50 лет назад: «Когда он издает звуковой сигнал, становится тепло на душе».

Физик-ядерщик Пол Раймер (сверху) с устройством для эксперимента SeaQuest

Эксперимент в Фермилабе, собранный в основном из использованных деталей

И наконец они его запустили. В эксперименте протоны поражают две цели: пузырек с водородом, который по сути представляет собой протоны, и пузырек с дейтерием, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона.

При попадании в любую из двух целей, один из валентных кварков протона иногда аннигилирует с одним из антикварков протона или нейтрона мишени. «Аннигиляция имеет уникальную сигнатуру и производит мюон и антимюон», — сказал Раймер. Эти частицы вместе с другим «мусором», образовавшимся в результате столкновения, затем врезаются в старые железные пластины. «Мюоны могут проходить сквозь них, а все остальные частицы блокируются», — сказал он. Обнаружив мюоны на обратной стороне пластин и восстановив их исходные траектории и скорости, «вы можете восстановить хронологию событий, чтобы выяснить, какую долю импульса несут антикварки».

Поскольку протоны и нейтроны зеркально отражают друг друга, там, где у одного расположены частицы верхнего типа, у другого — нижнего типа, и наоборот. Сравнив данные из двух пузырьков, можно сразу увидеть соотношение верхних антикварков и нижних антикварков в протоне, но этому, конечно, предшествовало 20 лет работы.

В 2019 году Альберг и Миллер на основе модели пионного облака рассчитали, к каким результатам должен прийти эксперимент SeaQuest. Их прогноз вполне совпадает с новыми данными SeaQuest.

Новые данные, которые показывают постепенное повышение, а затем выход на плато в соотношении между нижними и верхними антикварками, а не внезапную реверсию, также совпадают с результатами более гибкой статистической модели, разработанной Буррели и его коллегами. И все же Миллер называет эту конкурирующую модель «описательной, а не прогнозирующей», поскольку она настроена, чтобы соответствовать данным, а не выявлять физический механизм, объясняющий преобладание антикварков. «А в наших расчетах я горжусь как раз тем, что они представляют собой истинный прогноз», — сказала Альберг. «Мы не настраивали никакие параметры заранее».

В электронном письме Буррели утверждал, что «статистическая модель более мощная, чем модель Альберга и Миллера», поскольку она учитывает эксперименты по рассеянию как с поляризованными, так и не поляризованными частицами. Миллер категорически не согласился, отметив, что модель пионных облаков объясняет не только состав антивещества протона, но и магнитные моменты различных частиц, распределение зарядов и время распада, а также «связывание и, следовательно, существование всех ядер». Он добавил, что пионный механизм «важен в широком смысле для таких вопросов, как: «Почему существуют ядра? Почему существуем мы?».

В конечном стремлении понять протон решающим фактором может быть спин или собственный момент импульса. Эксперимент по рассеянию мюонов в конце 1980-х показал, что спины трех валентных кварков протона составляют не более 30% от общего спина протона. «Кризис протонного спина» можно выразить следующим вопросом: «что же составляет остальные 70%?» И как снова сказал опытный исследователь Чак Браун, старожил Фермилаб, «должно быть, что-то еще».

Экспериментаторы будут исследовать спин протонного моря в Фермилабе и, затем, в проектируемом электронно-ионном коллайдере Брукхейвенской национальной лаборатории. Альберг и Миллер уже работают над расчетами полного «мезонного облака», окружающего протоны, которое, помимо пионов, включает более редкие «ро-мезоны» (rho mesons). В отличие от пионов, ро-мезоны обладают спином, поэтому они каким-то образом должны влиять на общий спин протона, что Альберг и Миллер и надеются определить.

По словам Брауна, эксперимент Фермилаб SpinQuest, в котором участвуют многие исследователи из SeaQuest и используются детали этого эксперимента, почти готов к работе. «Если повезет, мы получим данные этой весной; это будет зависеть, по крайней мере, частично, от прогресса в разработке вакцины против вируса. Забавно, что решение столь глубокого и непонятного вопроса о внутреннем строении ядра, зависит от ситуации с вирусом COVID в стране. Все в мире взаимосвязано, не так ли?».

Автор оригинала: Natalie Wolchover

«ЧТО ТАКОЕ РЕНТГЕН И ЧЕМ ОН ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ ЗИВЕРТА» или «ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИИ»

Мы уже рассказывали о том, что такое радиация в принципе (см. мою первую статью здесь же). Теперь так же коротко и очень понятным языком обсудим единицы её измерения. Надо сказать, вопрос этот не слишком сложный, но, тем не менее, иногда здесь происходит некоторая путаница.

Начнём с того, что для измерения активности радиоактивных материалов в системе СИ используется такая единица как беккерель (Бк). Фактически это дело показывает то, сколько распадов в секунду происходит в данном веществе за 1 с. Поэтому 1 Бк = 1 с^-1. То есть, речь идёт именно о процессах «внутри» радионуклида, а не об информации о «радиации вокруг» него. Внесистемная единица измерения активности – кюри (Ки). 1 Ки = 3,7 * 10^7 Бк.

Теперь непосредственно о самой радиации. Существует такое понятие как экспозиционная доза. По сути, она просто характеризует способность фотонного (гамма) излучения ионизировать окружающий воздух и представляет собой отношение суммарного заряда ионов, образованных в результате действия излучения, к массе воздуха, на который это действие оказывалось. Соответственно единица измерения экспозиционной дозы – кулон на килограмм (кл/кг). Внесистемная единица измерения – это тот самый рентген (Р). 1 Р = 2,58*10^-4 кл/кг. Мощность экспозиционной дозы измеряется в амперах на килограмм (А/кг) или в рентгенах в секунду (Р/с). На практике, впрочем, часто используют рентгены в час (Р/ч). А мощность – она и есть мощность. Её значение даёт понять, «насколько сильное» гамма-излучение присутствует в данном месте, «сколько рентген воздействует на объект за секунду или за час».

Также существует понятие поглощённой дозы. Это – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу. Чтобы было понятно, скажем так. Если экспозиционная доза скорее характеризует само по себе излучение (только гамма), то поглощённая – показывает именно «количество» действия излучения (какого-нибудь) на что-либо, «сколько радиации здесь подействовало на объект». Формулировки, разумеется, мягко говоря, некорректные, но весьма наглядные и понятные. В системе СИ данная величина измеряется в греях (Гр). Один грей равен одному джоулю (энергии) на килограмм (вещества) (Дж/кг). Кроме того, есть несистемная единица под название «рад», равная 0,01 Гр. Фактически именно поглощённая доза является основополагающей в дозиметрии. Она показывает именно действие энергии на вещество и применима к радиоактивному излучению любого вида. В общем и целом, в большинстве случаев можно считать, что «100 рентген гамма-излучения равны 100 радам или 1 грею». То есть, в среднем, объект, помещённый в среду, в которой наблюдается мощность гамма-излучения 100 Р/ч, за час получит дозу в 1 грей. А за 2 часа, как несложно догадаться – 2 грея. Хотя на самом деле там всё будет зависеть от конкретной энергии конкретных частиц. Но в среднем – примерно как-то так.

Теперь самое интересное. Дело в том, что разные виды излучения (альфа, бета, гамма. ) по-разному воздействуют на живые организмы. Ранее мы уже отмечали, что альфа-излучение может быть гораздо опаснее, чем бета (другой вопрос, что оно должно ещё как-то «попасть в организм», а для него это сложнее). Поэтому для оценки биологического эффекта облучения организма была придумана эквивалентная доза излучения, измеряемая в зивертах (Зв). Она равна поглощённой (организмом или его частью) дозе, умноженной на так называемый взвешивающий коэффициент данного вида излучения. То есть, величину энергии, полученной организмом или его частью, просто умножают на коэффициент, который у каждого вида излучения свой. Для гамма-излучения он равен 1. Следовательно, в этом (и самом распространённом) случае эквивалентная доза (в Зв) будет численно равна поглощённой (в Гр). Есть и внесистемная единица измерения эквивалентной дозы: бэр (биологический эквивалент рентгена), который равен 0,01 Зв. Таким образом, если человек пробыл 3 часа в местности, мощность экспозиционной дозы в которой составляет 30 Р/ч, то поглощённая им доза излучения примерно такова: 3 * 30 = 90 (рад) = 0,9 (Гр), что в эквиваленте равно 90 (бэр) или 0,9 (Зв).

Для бета-частиц и рентгеновского излучения взвешивающий коэффициент также равен 1.

Для протонного принимается равным 2.

Для альфа-частиц и осколков деления атомов – 20.

Что касается нейтронного излучения, то оно сильно различается по энергии этих самых нейтронов, и здесь коэффициент может быть от 2 до 21.

Получается, что 1 час воздействия альфа-излучения на организм как бы соответствует целым 20 часам воздействия гамма-излучения.

Всё? Нет, не всё. Излучение ещё и по-разному может действовать на различные ткани и органы организма. Например, глаза могут быть более чувствительны, чем кожа. Для оценки действия излучения на конкретные «места организма» используется ещё один коэффициент, на который умножается суммарная эквивалентная доза облучения организма. Полученная величина называется эффективной дозой и измеряется в тех же единицах, что и эквивалентная. Например, для желудка и лёгких коэффициент равен 0,12, для кожи – 0,01.

Какие конкретно эквивалентные дозы излучения приводят к развитию лучевой болезни? Это тема для отдельного разговора. Если совсем вкратце, то за довольно короткий промежуток времени человек должен успеть получить дозу 100 Р = 1 рад = 1 Гр = 100 бэр = 1 Зв (для гамма-излучения). Да, да, вероятно, именно поэтому знаменитый бар в «Сталкере» был назван именно так.

Автор: Сергей Смолин.

«ЧТО ТАКОЕ РАДИАЦИЯ» и «КАКАЯ ОНА БЫВАЕТ»

Краткая и понятная справка для самых маленьких.

В сети (и не только) иногда попадаются люди, которые не знают даже самых простых вещей про радиацию. Специально для них объясняем. Да, очень вкратце. Да, НЕ совсем научно, а, может быть, даже и НЕ совсем точно, и вообще наивно и по-детски. Но зато очень просто и ясно. А если кому-то нужно больше и правильнее – пожалуйте в Гугл.

Сначала на всякий случай напоминаем. Как известно, вещества состоят из атомов, а атомы состоят из трёх видов частиц: протонов (положительно заряженные частицы), нейтронов (нейтральные частицы), электронов (отрицательно заряженные частицы). Из протонов и нейтронов сделано ядро атома. И тех, и других называют ещё нуклонами. А электроны (которые намного меньше по массе) роятся вокруг этого ядра по специальным «орбитам» (орбиталям). Этот «рой» (облако) электронов нас сейчас не интересует. Все самые захватывающие процессы происходят в ядре.

Все эти нуклоны держатся (обычно) вместе и никуда на разлетаются. На это у них есть веские причины, называемые ядерными силами, из-за которых нуклоны притягиваются друг к другу. Строго говоря, само это явление рассматривается уже не в ядерной физике, а в физике элементарных частиц, в общем, просто поверьте, что оно есть. Помимо ядерных сил на нуклоны действуют некоторые другие силы, например, кулоновские силы отталкивания. У «обычных» стабильных изотопов притяжение нуклонов пересиливает всё остальное. И ничего интересного с такими ядрами не происходит. Однако, при некоторых условиях, например, если нейтронов получается «больше, чем нужно», или при некоторых других, могут начать происходить весьма любопытные явления. Именно это и отличает радиоактивные изотопы элементов от не радиоактивных.

Одним из таких любопытных явлений является альфа-распад. При альфа-распаде из ядра атома вылетают – кто бы мог подумать! – так называемые альфа-частицы. Они представляют собой два протона и два нейтрона (то, есть, по сути, это ядра гелия). Соответственно, в ядре остаётся меньшее число нуклонов, и данный атом становится уже атомом другого элемента. Альфа-частицы не могут улететь далеко от покинутого ядра, их пробег в воздухе составляет несколько сантиметров, а в какой-нибудь там алюминий они могут проникнуть только на доли миллиметра, не говоря уже о чём-то более плотном. Альфа-частицы притягивают к себе часть электронов из окружающей среды, чтобы стать «полноценными» атомами гелия. Соответственно, при контакте с ними соседние атомы вещества часть своих электронов теряют и становятся так называемыми ионами. Ввиду маленькой проникающей способности, альфа-излучение в подавляющем большинстве случаев не представляет опасности для человека и прочих зверюшек, так как эти частицы не способны преодолеть даже верхний омертвевший слой кожи (даже если смогут на неё попасть сквозь окружающий воздух). Однако, вещества, в которых происходит альфа-распад, могут быть чрезвычайно опасны при попадании внутрь организма. Кстати говоря, радиоактивные вещества, попав в организм, могут весьма и весьма надолго там задержаться (а некоторые прям очень надолго), то есть, воздействие получится не только гораздо более сильным, но ещё и долгим (и вот это уже относится к изотопам с любым видам распада, а не только с альфа). Именно поэтому при нахождении в некоторых опасных зонах следует пользоваться защитной одеждой и противогазом.

Второе интересное явление, касающееся предмета нашего рассмотрения – бета-распад. Здесь процесс немного более сложный. Существует такая вещь как слабое взаимодействие (тут опять физика элементарных частиц). И вот это взаимодействие при бета-распаде превращает один из нейтронов атома в протон (или наоборот). При этом, в соответствии с определёнными законами, в ядре также «образуются» две частицы. В зависимости от вида бета-распада (отрицательный или положительный), это могут быть либо электрон и антинейтрино, либо позитрон и нейтрино. «Нейтрины» оставим в покое, нам они сейчас не нужны. А вот такие вылетающие из ядер электроны/позитроны – это и есть бета-частицы. Они способны ионизировать чьи-либо атомы, вызывать химические реакции и вообще делать всякие разные вещи. Их проникающая способность – на порядок больше, чем у альфа-частиц. Пробег в воздухе может исчисляться метрами. Эти малыши вполне способны проникать в кожу человека. Вещества с бета-распадом так же очень опасны при попадании вовнутрь (хотя действие бета-частиц на организм всё-таки намного слабее, чем альфа).

Нейтронное излучение. Как несложно догадаться, это поток нейтронов. Фактически наблюдается не «само по себе», а только при ядерных реакциях (в реакторах или при тех самых ядерных взрывах). Вылетающие нейтроны различаются по своей энергии. В отличие от вышеперечисленных частиц, нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов и лучше поглощаются не тяжёлыми (плотными), а лёгкими атомами, скажем, бором. Так называемые «быстрые» нейтроны (с более высокой энергией) поглощаются вообще плохо, однако, могут быть «замедленны» с помощью, к примеру, водородосодержащих материалов (той же воды). Нейтроны могут «цепляться» к ядрам окружающих веществ, в результате чего эти ядра становятся радиоактивными и начинают сами испускать те или иные частицы (наведённая радиоактивность).

Существует также экзотическое протонное излучение и некоторые другие, но их рассмотрение уже выходит за рамки этого разговора.

Источник