Можно ли разделить атом на более мелкие частицы: Можно ли разделить атом на более мелкие частицы в ходе химической реакции?

А. Можно разделить и молекулу, и атом. Б. Можно разделить молекулу, невозможно разделить атом. В. Можно разделить атом, невозможно разделить молекулу. Г. Невозможно разделить ни молекулу, ни атом.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 51Следующая ⇒ Вариант 2 1. Какое из пяти слов обозначает физическое тело? А. Кислород. Б. Звук. В. Метр. Г. Атом. Д. Скорость.   2. Какое из пяти слов обозначает физическую величину? А. Длина. Б. Алюминий. В. Килограмм. Г. Термометр. Д. Земля.   3. Какое из пяти слов обозначает физическое явление? А. Сила. Б. Эхо. В. Атом. Г. Весы. Д. Метр.   4. Какое из пяти слов обозначает единицу физической величины? А. Длина. Б. Температура. В. Плавление. Г. Атом. Д. Килограмм.   5. Какая единица является основной единицей массы в Международной системе? А. Миллиграмм. Б. Грамм. В. Килограмм. Г. Центнер. Д. Тонна.   6. Сколько сантиметров в одном метре? А. 1000. Б. 100. В. 10. Г. 0,01. Д. 0,001. Е. 0,1.   7. Какое из приведенных ниже выражений используется для вычисления плотности тела? А. Б. В. Г. Д. Тест 7-1   8. Какое из приведенных ниже выражений используется для вычисления массы? A. pV. Б. . В. gV. Г. mg. Д. .   9. Как взаимодействуют между собой молекулы любого вещества? А. Только отталкиваются. Б. Только притягиваются. В. Притягиваются и отталкиваются, на очень малых расстояниях силы притяжения больше сил отталкивания. Г. Притягиваются и отталкиваются, на очень малых расстояниях силы отталкивания больше сил притяжения.   10. Как называют явление сохранения скорости движения тела при отсутствии действия на него других тел? А. Покой. Б. Движение. В. Инерция. Г. Полет. Д. Свободное падение.   11. При нагревании тела расширяются. Чем является процесс расширения тела по отношению к процессу нагревания? А. Причиной. Б. Следствием. В. Физическим явлением. Г. Опытным фактом. Д. Независимым процессом.   12. Наблюдения показывают, что все тела при нагревании расширяются, жидкости могут превращаться в газы, а газы могут превращаться в жидкости. Какой научный вывод можно сделать из этих наблюдений? А. Свойства тел необъяснимы. Б. Вещества обладают способностью возникать и исчезать. В. Каждое тело обладает своими особыми свойствами. Г. Все тела состоят из очень маленьких частиц — атомов.   13. Изменяется ли скорость беспорядочного движения молекул при понижении температуры вещества? А. Увеличивается с понижением температуры вещества в любом состоянии. Б. Уменьшается с понижением температуры вещества в любом состоянии. В. Не изменяется. Г. Изменяется только у газов. Д. Изменяется только у газов и жидкостей.   14. В каких телах диффузия при одинаковых температурах происходит быстрее? А. В газах. Б. В жидкостях. В. В твердых телах. Г. Во всех одинаково.   15. Чему равна цена деления измерительного цилиндра, изображенного на рисунке 1? А. 100 мл/дел. Б. 20 мл/дел. В. 4 мл/дел. Г. 5 мл/дел. Д. 1 мл/дел. Тест 7-1   16. Масса тела объемом 5 м3 равна 10 кг. Какова плотность вещества? А. 50 кг/м3. Б. 10 кг/м3. В. 5 кг/м3. Г. 2 кг/м 3. Д. 0,5 кг/м3.   17. Тело объемом 0,2 м3 состоит из вещества плотностью 5 • 103 кг/м3. Какова масса тела? А. 4 • 10 3 кг, Б. 2,5 • 10 -4кг. В. 10 4 кг. Г. 100 кг. Д. 103 кг.   18. Чему примерно равна сила, действующая на тело массой 2 кг, находящееся на Земле? А. 2 Н. Б. 20 Н. В. 0,2 Н. Г. 10 Н. Д. 5 Н.   19. В каком состоянии вещество не имеет собственной формы, но имеет постоянный объем? А. Только в газообразном. Б. Только в жидком. В. Только в твердом. Г. В жидком и газообразном. Д. Ни в одном состоянии.   20. Четыре человека тянут веревку в двух противоположных направлениях: двое вправо с силами F1 = 400 Н и F2=100 Н, двое влево с силами F3= 350 Н и F4= 250 Н . Какова равнодействующая этих сил? В каком направлении будет двигаться веревка? А. 1100 Н, влево. Б. 600 Н, влево. В. 400 Н, вправо. Г. 100 Н, влево. Д. 50 Н, вправо.   21. По графику пути равномерного движения (рис. 2) определите путь, пройденный телом за 4 с после начала движения. А. 64 м. Б. 24 м. В. 16 м. Г. 8 м. Д. 4 м.   Тест 7-1 22. По графику скорости равномерного движения (рис. 3) определите скорость движения тела через 3 с. после начала движения. А. 9 м/с. Б. 3 м/с. В. О м/с. Г. 27 м/с. Д. 45 м/с.   23. По графику пути равномерного движения (см. рис. 2) определите скорость движения тела через 4 с после начала движения. А. 64 м/с. Б. 16 м/с. В. 6 м/с. Г. 4 м/с. Д. 2 м/с.   24. По графику скорости равномерного движения (см. рис. 3) определите путь, пройденный телом за 3 с после начала движения. А. 27 м. Б. 36м. В. 45 м. Г. 9 м. Д. 3 м.   25. На рисунке 4 изображены два этапа измерения объема тела. Каков объем тела, опущенного в измерительный цилиндр? А. 5 см3. Б. 10 см3. В. 15 см3. Г. 20 см3. Д. 35 см3. Е. 45 см3.   Рис. 4   Тест 7-1 26. В измерительном цилиндре находилось 50 мл воды. При погружении в воду тела весом 2 Н уровень воды в цилиндре достиг отметки 70 мл. Какова плотность тела, погруженного в воду? А. 106 кг/м3. Б. 105 кг/м3. В. 104 кг/м3. Г. 10 кг/м3. Д. 10-2 кг/м3.   27. Тело А массой 50 г соединили с телом В массой 100 г и объемом 20 см3. Оба тела вместе опустили в измерительный цилиндр с водой. При полном погружении в воду тела вытеснили 120 см3 воды. Определите плотность тела А. А. 0,2 г/см3. Б. 0,5 г/см3. В. 2 г/см3. Г. 5 г/см3. Д. 2,5 г/см3.   28. Прямоугольный ящик имеет плоские поверхности площадью S1 = 2 м2, S2 = 1 м2 и S3 = 0,5 м2. На какую из этих поверхностей следует положить ящик для того, чтобы сила трения при перемещении была минимальной? А. На S1. Б. На S2. В. На S3 Г. На всех трех будет одинакова.   29. Человек легко может спрыгнуть на берег с большого катера, свободно стоящего у пристани, но часто падает в воду при попытке выпрыгнуть на берег из маленькой лодки. Почему? А. Состороны легкой лодка на человека действует меньшая сила, чем со стороны человека на лодку, поэтому человек приобретает малую скорость. Б. Лодка скользит по воде и увозит за собой человека. В. Большой катер глубже сидит в воде и потому не отходит от берега при прыжке человека с его палубы. Г. Легкая по сравнению с катером лодка приобретает значительную скорость и уходит из-под человека при малом значении силы действия на нее со стороны человека. Соответственно сила действия лодки на человека оказывается малой и человек приобретает недостаточно большую скорость.   30. Какую из перечисленных ниже частиц невозможно разрушить или разделить на более мелкие частицы? ⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒ Читайте также:

В чем разница между атомом и молекулой?

Атомы и молекулы — это два самых основных термина, которые используются, когда мы говорим о составе элемента или соединения. Существенная разница между атомом и молекулой состоит в том, что атом рассматривается как мельчайшая частица, составляющая материю. Напротив, молекула — это комбинация двух или более мельчайших единиц, то есть атомов, которые химически связаны вместе.

Всякий раз, когда используются названия атомов и молекул, возникает путаница относительно того, чем они отличаются и какие сходства существуют между ними.

По сути, то, что требует определенного пространства и имеет определенную массу, определяется как материя, которая состоит из атомов и молекул. Все в этой вселенной состоит из атомов. От маленького куска мела до большой доски, от единственной стены до целого дома, от маленького муравья до гигантского человека, от гигантского человека до всей Земли — все состоит из атомов. Но атомы настолько малы, что их невозможно визуализировать человеческим зрением или каким-либо микроскопическим устройством.

Сравниваемые параметры	Атом	Молекула
Основные	Наименьшая неделимая единица материи — атом	Комбинация нескольких атомов, которые можно разделить, представляет собой молекулу
Существование	Не независимый	Независимый
Составные части	Нуклоны (имеющие протоны, нейтроны) и электроны	Два или более атомов, связанных вместе
Природа	Неустойчивый	Устойчивый
Видимость	Нет	Да, но только через микроскоп
Масса	Примерно равно сумме масс протонов, нейтронов и электронов, составляющих этот атом	Сумма масс каждого отдельного атома, образующего молекулу
Форма	Не имеет фиксированной формы, но обычно считается сферическим	Существует в линейных, тригональных, пирамидальных формах и других
Реактивность	Высокая	Низкая
Размер	Небольшой	Сравнительно большой
Связь	Кулоновская сила притяжения связывает субатомные частицы	Ковалентная связь существует между двумя или более атомами
Образец	Сера, азот, натрий, углерод и другие	Вода, сахар, углекислый газ, перекись водорода и другие

Определение атома

Самая маленькая неделимая по природе частица, составляющая материю, известна как атом. Каждый атом состоит из трех основных субатомных компонентов, а именно: электрон, протон и нейтрон. И каждый атом отличается друг от друга, потому что у них разное количество протонов.

Атомы считаются основным строительным материалом любой материи и проявляют свое существование повсюду вокруг нас.

По сути, теория, лежащая в основе этого, согласно Махариши Канаду, заключается в том, что при разделении любой материи будут получены более мелкие и мелкие частицы. Но по прошествии определенного времени частицы станут настолько маленькими, что их дальнейшее деление станет невозможным. Эта окончательная неделимая частица называется атомом.

Слово «атом» образовано от комбинации слов «А» и «томас» (tomas), где «А» означает «не», а «томас» соответствует «вырезать».

Каждый атом проявляет свойства химического элемента, в котором он присутствует. Атомный номер — важнейшее свойство атома, которое соответствует количеству положительных зарядов, существующих в ядре.

Определение молекулы

Химическая комбинация нескольких неделимых мельчайших единиц вещества, то есть атомов, порождает молекулу. Когда два или более атома прочно связаны друг с другом некоторой силой притяжения, их индивидуальная комбинация дает молекулу. Молекула — это мельчайший объект материи, который проявляет независимое существование, может делиться дальше и проявляет характеристики материи.

Комбинация атомов, образующих молекулу, может состоять из одинаковых или разных элементов.

В целом молекулы классифицируются как:

Молекулы элементов: это молекулы, образованные комбинацией атомов одного типа. Например, кислород (O₂) — это молекула, состоящая из 2 отдельных атомов кислорода, то есть двухатомная молекула.

Молекулы соединений: это молекулы, состоящие из атомов различных типов элементов.

Например, Оксид кальция (CaO) представляет собой молекулу, которая представляет собой комбинацию атома углерода и кислорода.

Различные атомы в молекуле связаны вместе, разделяя электроны, присутствующие в их внешних оболочках, посредством ковалентной связи.

Ключевые различия между атомом и молекулой

• Ключевой фактор различия между атомами и молекулами заключается в их присутствии как отдельных сущностях. Это так, потому что атом как индивидуум является самой маленькой единицей материи, которую нельзя разделить дальше. Напротив, молекула как индивидуум представляет собой комбинацию двух или даже более атомов, которая существует как наименьшая единица элемента, который идентифицируется по природе и может быть дополнительно разделена.
• В состав атома входит ядро (состоящее из положительно заряженных протонов и нейтрально заряженных нейтронов), окруженное отрицательно заряженными электронами. В то время как молекулы состоят из двух или даже более атомов, которые объединены вместе и проявляют свойства, которыми обладают атомы, образующие их.
• Большинство атомов не могут существовать независимо, однако молекулы демонстрируют независимое существование.
• Атомы представляют собой отдельные объекты, но субатомные частицы связаны вместе кулоновской силой притяжения, существующей между положительно и отрицательно заряженными частицами. Однако для образования молекулы различные атомы объединяются ковалентной связью.
• Атомы по своей природе обладают высокой реакционной способностью по сравнению с молекулами.
• Атом демонстрирует нестабильное поведение из-за наличия электронов во внешних оболочках. Напротив, поскольку атомы в молекулах объединяются ковалентными связями, молекулы обладают стабильной природой.
• Атомы представляют собой мельчайшие частицы вещества, поэтому их нельзя увидеть невооруженным глазом или в микроскоп. Но хотя молекулы также нельзя увидеть невооруженным глазом, их можно увидеть с помощью увеличительного микроскопа.
• Очевидно, поскольку молекулы представляют собой комбинацию атомов, их размер будет больше размера атома. Обычно диаметр атома составляет около 0,2 нм, а размер молекулы воды — около 0,27 нм.
• Обычно известно, что атомы имеют сферическую форму, но на самом деле атомы не имеют фиксированной формы. Хотя форма молекул может быть линейной, тетраэдрической, пирамидальной, тригональной и так далее. В зависимости от атомного состава этой молекулы.

Вывод

Итак, из этого обсуждения мы можем сделать вывод, что атомы и молекулы похожи в том, что оба составляют материю. Однако атомы не могут быть далее разделены, примерами атомов являются азот, сера, углерод и другие. А вот молекулы можно дополнительно разделить, деление которых предоставит нам атомы, показывающие характеристики вещества, некоторыми примерами молекул являются вода, диоксид углерода, и другие.

Бозон или кварк? | Общество

«Московские новости» публикуют самые интересные материалы 2012 года. Если у вас не было времени или возможности прочитать их в течение года, прочитайте их сейчас.

Топ-10 от «Московских новостей», выбор редакции:

• Знаете ли вы, как говорят в провинции 
• Адвокаты потерпевшего по делу Pussy Riot уверены, что им лучше понести наказание на земле
• Русский Догвилль
• Санта на МКАДе
• Бизнес-центр Христа Спасителя
• «Я понимаю, что будущее за вариантом «звОнишь» — интервью про новый словарь
• Бозон или кварк 
• Тест «Альтернативный ЕГЭ по русскому языку»
• Ходорковский: «Скучаю по слову “люблю”»
• Интервью с Татьяной Ивановой

Разговор об элементарных частицах мы опять начнем с древнегреческих философов, потому что именно они впервые сформулировали две очень важные для нас научные идеи. Первую из них высказал Аристотель, который считал, что все во Вселенной делится на вещество и силы, действующие на него. Так же считают и современные ученые. Вторая идея принадлежит Левкиппу и его ученику Демокриту, полагавшим, что вещество состоит из большого числа разнообразных мельчайших частиц — атомов. Атомы невозможно разделить на более мелкие части, они не разрушаются и не возникают. Они просто существуют в пустом пространстве, движутся в нем, хаотично сталкиваясь, и либо сцепляются друг с другом, либо разлетаются в стороны.

Существование атомов долгое время подвергалось сомнению (например, тем же Аристотелем, считавшим, что вещество непрерывно, то есть любой его кусок можно дробить на все более мелкие кусочки бесконечно). Однако французский физик Жан Батист Перрен, провозившись с экспериментами в 1910-х годах, доказал, что атомы действительно существуют.
Правда, этому предшествовал ряд важных открытий. Например, уже в 1833 году, исследуя явление электролиза, Майкл Фарадей обнаружил существование ионов, а в 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон, используя установку, похожую на телевизионный кинескоп, открыл электрон. Это дало повод думать, что атом все же имеет некоторую внутреннюю структуру и все-таки может быть разделен на составляющие.

В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд, исследуя взаимодействие с атомами альфа-частиц, доказал существование такой структуры и предложил планетарную модель атома. Да, именно ее нам и показывали в школе. Согласно модели Резерфорда, атом состоит из довольно небольшого, но плотного положительно заряженного ядра, вокруг которого по определенным орбитам, как планеты вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны. Само ядро состоит из протонов, имеющих заряд равный по величине заряду электрона, но противоположный ему по знаку. Число протонов в ядре равно числу электронов в атоме, поэтому в целом атом электрически нейтрален.

Модель Резерфорда была хороша для описания устройства самых простых атомов, вроде атома водорода. Но в более сложных случаях она уже не давала приемлемых результатов. Поэтому она постепенно дорабатывалась. Так, в эту модель в том числе было введено собственное вращательное движение частиц, которое учитывалось при помощи спина. Слово «спин» в переводе с английского означает вращение и обозначает некую меру собственного вращения частицы. Спин электрона равен 1/2, такой спин называется полуцелым. Все частицы, из которых состоит вещество, обладают полуцелым спином и на них действует принцип запрета, открытый в 1925 году австрийским физиком Вольфгангом Паули. Согласно этому принципу, две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии. Грубо говоря, на одной орбите не может находиться больше одного электрона с определенной комбинацией энергии и спина. Это то же самое, как если бы на вечеринке встретились две девушки в одинаковых красных платьях, и одна из них вынуждена была пойти переодеваться.

Частиц, понятно, очень много. И проследить, как они двигаются в веществе, чрезвычайно сложно. Возьмем стеклянную банку, заполненную доверху живыми муравьями, и попытаемся проследить путь одного из них. Естественно, наша попытка будет обречена на провал, потому что муравьи все похожи друг на друга и рано или поздно мы потеряем из виду того, за которым собирались понаблюдать. Так и частицы, попадая в общество себе подобных, становятся неразличимыми. Тем более, что если муравья мы еще можем пометить, например при помощи краски и тонкой кисточки, то раздобыть такую кисточку, например, для электрона, не представляется возможным. Поэтому поведение частиц в коллективе описываются при помощи различных статистических функций распределения. Для коллективов частиц с полуцелым спином используется распределение Ферми-Дирака (названное так по фамилиям его создателей), поэтому они называются фермионы. К фермионам относятся электроны, протоны и нейтроны (из них состоит ядро атома), кварки (из них состоят протоны и нейтроны), нейтрино — все те частицы, из которых состоит вещество.

Кроме фермионов существует и вторая группа частиц — бозоны,  которые называются так потому, что к ним для описания их состояния  применима статистика Бозе-Эйнштейна. К бозонам, например, можно отнести фотон, гравитон, глюон. Можно сказать, что все силы, представляющие собой взаимодействия межу частицами вещества, переносятся бозонами. Частица вещества, например, электрон или кварк, испускает бозон, который потом налетает на другую частицу вещества и поглощается ей. В результате изменяется состояние обеих частиц (например, их скорость), как будто между ними действует сила. Расстояние, на котором проявляется взаимодействие, зависит от массы бозона.

Бозоны — полная противоположность фермионов. У бозонов целый спин (0,1,2 и так далее), на бозоны не действует принцип запрета Паули (помните, два одинаковых красных платья?). Это значит, что бозоны не просто могут существовать в одинаковых состояниях, они занимают состояние тем охотнее, чем больше их собратьев уже находятся в нем. Можно сказать, что бозоны обладают весьма компанейским характером. Или конформистским, кому как больше нравится. Если придерживаться нашей аналогии, то бозоны – это толпы девушек в одинаковых платьях, которые всеми силами стараются походить одна на другую.

Почему спин электрона равен 1/2 математически обосновал английский физик теоретик Поль Адриен Морис Дирак в 1928 году. Этот же ученый предположил, что у электрона должен быть антипод — позитрон, который и был открыт и 1932 году. Сейчас мы знаем, что каждой частице соответствует античастица и возможно, что у каждого из нас где-то существует двойник из таких античастиц. И если вы когда-нибудь встретите такого анти-себя, будьте осторожны: достаточно малейшего прикосновения, и вы оба превратитесь в одну ослепительную вспышку, которая улетит путешествовать по Вселенной (энергия ведь никуда не исчезает).

Не все частицы и античастицы можно разделить на материю и антиматерию / Хабр

Чем меньшие масштабы мы изучаем, тем более фундаментальные знания о природе нам открываются. Если бы мы могли понять и описать самые мелкие из существующих объектов, мы могли бы построить на этой основе понимание крупных. Однако мы не знаем, существует ли предел минимизации пространства.

В нашей Вселенной существуют правила, нарушения которых мы ещё ни разу не наблюдали. Мы ожидаем, что некоторые из них никогда не нарушались. Ничто не может двигаться быстрее света. При взаимодействии двух квантов энергия всегда сохраняется. Нельзя создать или уничтожить импульс и угловой момент. И так далее. Но некоторые из этих правил, хотя мы этого и не видели, в какой-то момент прошлого должны были нарушиться.

Одно из них – симметрия материи и антиматерии. Каждое взаимодействие, в котором рождаются или уничтожаются частицы материи, уничтожает или порождает равное количество их двойников из мира антиматерии – античастицы. Учитывая, что наша Вселенная почти полностью состоит из материи, и почти не содержит антиматерии (нет никаких звёзд, галактик или стабильных космических структур, состоящих из антиматерии), эта симметрия, очевидно, была нарушена в прошлом. Однако как именно это произошло, остаётся тайной. Загадка асимметрии материи/антиматерии остаётся одним из величайших открытых вопросов физики.

Кроме того, мы обычно говорим «частицы», подразумевая составные части материи, и «античастицы», подразумевая составные части антиматерии, однако это не совсем верно. Частицы – не всегда материя, а античастицы – не всегда антиматерия. Вот, что говорит наука по поводу этой контринтуитивной ситуации.

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 10²⁸ атомов.

Представляя себе материалы, которые можно найти на Земле, вы, наверно, будете считать, что 100% их состоит из материи. Примерно так и есть – практически вся наша планета состоит из материи. Она же состоит из протонов, нейтронов и электронов – и всё это частицы материи. Протоны и нейтроны – составные частицы, состоящие из верхних и нижних кварков, связывающихся при помощи глюонов, и формирующих ядра атомов. К этим ядрам привязаны электроны – так, что общий электрический заряд атома равен нулю, а электроны связаны с ядрами электромагнитным взаимодействием, передающимся при помощи обмена фотонами.

Однако периодически одна из частиц в атомном ядре претерпевает радиоактивный распад. Типичный пример – бета-распад. Один из нейтронов превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино. Изучив свойства различных частиц и античастиц, участвующих в этом распаде, можно многое узнать о Вселенной.

Схематичное изображение ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Бета-распад работает при помощи слабых взаимодействий, превращая нейтрон в протон, электрон и электронное антинейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняется энергия и импульс.

Нейтрон, с которого мы начали, имеет следующие свойства:

• Он электрически нейтрален, общий его заряд равен нулю.
• Он состоит из трёх кварков – двух нижних (с электрическими зарядами по -1/3) и одного верхнего (с электрическим зарядом 2/3).
• В нём содержится около 939 МэВ энергии в виде массы покоя.

У частиц, на которые он распадается — протона, электрона и электронного антинейтрино – тоже есть свои уникальные свойства.

• Электрический заряд протона +1, он состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, и в нём содержится около 938 МэВ энергии в массе покоя.
• Электрический заряд электрона равен -1, это фундаментально невидимая частица, и в ней хранится около 0,5 МэВ энергии в массе покоя.
• У электронного антинейтрино нет электрического заряда, это фундаментально невидимая частица, её масса покоя неизвестна (но больше нуля), и в ней хранится не более 0,0000001 МэВ энергии.

Все обязательные законы сохранения никуда не делись. Энергия сохраняется, а небольшой запас «лишней» энергии нейтрона превращается в кинетическую энергию получающихся частиц. Импульс сохраняется, и сумма импульсов получившихся частиц всегда равняется начальному моменту нейтрона. Однако нам хочется не только изучить, с чего мы начали, и чем закончили – мы хотим знать, как это произошло.

Свободные нейтроны нестабильны. Период полураспада у них составляет 10,3 минуты, и распадаются они на протоны, электроны и электронные антинейтрино. Если поменять нейтрон на антинейтрон, то все частицы поменяются на соответствующие античастицы. Материю заменит антиматерия, а антиматерию – материя.

Согласно квантовой теории, для распада необходима управляющая им частица. В квантовой теории слабых взаимодействий, описывающей данный процесс, этим занимается W^– бозон, играющий роль одного из нижних кварков нейтрона. Посмотрим, что происходит с фундаментальными частицами.

Один из нижних кварков в нейтроне испускает виртуальный W^– бозон, из-за чего превращается в верхний кварк. В данном взаимодействии количество кварков сохраняется.

Виртуальный W^– бозон может распасться на много различных частиц, однако этот процесс ограничивает закон сохранения энергии. Его конечные продукты распада не должны иметь больше энергии, чем разница в массе покоя между нейтроном и протоном.

Поэтому по большей части в распаде рождается электрон (чтобы унести отрицательный заряд) и электронное антинейтрино. В редких случаях можно увидеть радиационный распад, в результате которого получается дополнительный фотон. В принципе, можно заставить W^– бозон распадаться на комбинацию из кварков и антикварков (к примеру, из нижнего и антиверхнего), однако для этого требуется слишком много энергии – больше, чем получается при распаде нейтрона до протона.

При нормальных условиях низких энергий свободный нейтрон распадётся на протон посредством слабого взаимодействия – в этом случае на диаграмме время увеличивается вверх. При достаточно больших энергиях эта реакция может пойти в обратную сторону. Протон и позитрон или нейтрино могут провзаимодействовать, выдав нейтрон – то есть, при взаимодействии протона с протоном может появиться дейтрон. Так работает первый, критически важный шаг синтеза в Солнце.

Теперь давайте перевернём всё зеркально, перейдя от материи к антиматерии. Вместо распада нейтрона представим распад антинейтрона. Свойства антинейтрона очень похожи на свойства нейтрона, упомянутые ранее, но есть и важные отличия:

• Он электрически нейтрален, его общий заряд равен нулю.
• Он состоит из трёх антикварков – двух антинижних (с зарядами +1/3) и одного антиверхнего (с зарядом -2/3).
• Он содержит 939 МэВ энергии в виде массы покоя.

Переходя от материи к антиматерии, мы просто заменили все частицы на их двойники из антиматерии. Массы остались теми же, состав (с учётом приставки «анти») остался тем же, а электрический заряд сменился на противоположный. И хотя нейтрон и антинейтрон электрически нейтральны, заряд у их компонентов поменялся.

И это, кстати, можно измерить! Хотя заряд нейтрален, у нейтрона есть т.н. магнитный момент, для которого нужны и спин, и электрический заряд. Мы смогли измерить его магнитный момент – он равен -1,91 магнетонам Бора. Магнитный момент антинейтрона равен +1,91 магнетонам Бора. Вся его заряженная начинка должна быть противоположной у материи и антиматерии.

Благодаря экспериментам и новым теоретическим изысканиям мы стали лучше разбираться во внутренней структуре нуклонов, протонов и нейтронов, включая то, как распределяется «море» из кварков и глюонов. Исследования позволяют объяснить большую часть массы барионов, а также их нетривиальные магнитные моменты.

При распаде антинижний кварк испускает W⁺ бозон, двойника W^– бозона из антиматерии, что превращает антинижний кварк в антиверхний. Бозон W⁺, как и прежде, виртуальный – его нельзя наблюдать, а для создания «реального» бозона не хватает массы/энергии. Однако продукты его распада видны – позитрон и электронное нейтрино. (Да, радиационные эффекты тоже могут проявиться – в редких случаях один или несколько фотонов добавляются к продуктам распада). Всё получается зеркальным отображением предыдущего варианта, каждая частица материи меняется на двойника из антиматерии, а частицы антиматерии (типа электронных антинейтрино) – наоборот.

Что касается материалов, которые можно найти на Земле, то почти все они состоят из материи — протонов, нейтронов и электронов. Малая часть этих нейтронов распадается, а значит, у нас также есть W^– бозоны, дополнительные протоны и электроны (и фотоны), а также немного электронных антинейтрино. Всё, что мы знаем, хорошо описывает Стандартная модель, и для описания всего хватает частиц и античастиц.

[кликабельно] Стандартная модель помогает нам определить, какие частицы существуют в реальности, и какие для каждой из них есть античастицы. И хотя Вселенная в основном состоит из материи, и имеет лишь следовые включения антиматерии, не каждую её частицу можно отнести только либо к материи, либо к антиматерии.

Мы могли бы заменить Землю «анти-Землёй», антиматериальной версией себя. Тогда мы бы просто заменили каждую частицу на соответствующую ей античастицу. Вместо протонов и нейтронов (состоящих из кварков и глюонов) у нас были бы антипротоны и антинейтроны (состоящие из антикварков, но с теми же 8 глюонами). Вместо распада нейтронов посредством W^– бозона был бы распад антинейтрона посредством W⁺ бозона. Вместо получения электрона и электронного антинейтрино (и иногда фотона), мы бы получали позитрон и электронное нейтрино (и иногда фотон).

Нормальная материя Вселенной состоит из кварков и лептонов. Из кварков состоят протоны и нейтроны (и в целом барионы), а в лептоны входят электроны и их более тяжёлые родственники, а также три обычных нейтрино. С обратной стороны существуют античастицы, из которых состоит антиматерия – антикварки и антилептоны. Хотя обычные распады идут разными путями с участием бозонов W^– и W⁺, существует небольшое количество антиматерии в виде позитронов и электронных антинейтрино. Это было бы так, даже если бы мы сумели каким-то образом «избавиться» от всей внешней Вселенной, включая Солнце, космические лучи и другие источники частиц и энергии.

Частицы и античастицы Стандартной модели, существование которых предсказывают законы физики. Кварки и лептоны – это фермионы и материя. Антикварки и антилептоны – это антифермионы и антиматерия. Однако бозоны – это не материя и не антиматерия.

Но что насчёт остальных частиц и античастиц? Говоря о материи и антиматерии, мы говорим только о фермионах – кварках и лептонах. Однако существуют ещё и бозоны:

• 1 фотон, посредник в электромагнитном излучении.
• 8 глюонов, посредники в сильном ядерном взаимодействии.
• 3 слабых бозона, W⁺, W^– и Z⁰, посредники в слабом взаимодействии и слабых распадах, а также бозон Хиггса, отличающийся от всех остальных.

Некоторые из частиц являются античастицами сами для себя – фотон, Z⁰ и бозон Хиггса. W⁺ — античастица для W^–, а три пары глюонов явно являются античастицами друг для друга (с четвёртой парой всё немного сложнее).

Если столкнуть частицу с её античастицей, они аннигилируют, и могут выдать всё, на что хватит энергии, с учётом всех квантовых законов сохранения – энергии, импульса, углового момента, электрического заряда, барионного числа, лептонного числа, номера семейства лептонов, и т.д. Это верно и для частиц, являющихся античастицами для самих себя.

Равносимметричная коллекция бозонов материи и антиматерии (X и Y, и анти-X с анти-Y) с правильными свойствами GUT могла бы породить асимметрию материи и антиматерии, которую мы сегодня наблюдаем во Вселенной.

Примечательно тут то, как появляется идея противостояния «материи» и «антиматерии». Если у вас положительное барионное или лептонное число, вы материя. Если отрицательное, вы антиматерия. А если у вас нет барионного или лептонного числа – вы ни материя, ни антиматерия! Хотя частиц есть два типа – фермионы (кварки и лептоны) и бозоны (всё остальное) – в нашей Вселенной только фермионы могут быть материей или антиматерией.

Если нейтрино окажутся майорановскими фермионами, теорию придётся пересмотреть – ведь майорановские фермионы могут быть античастицами для самих себя.

Значит, составные частицы, типа пионов или других мезонов, состоящие из комбинаций кварков и антикварков, не относятся ни к материи, ни к антиматерии – они состоят и из того, и из другого. Позитроний – связанные вместе электрон и позитрон, тоже не относится ни к материи, ни к антиматерии. Если существуют лептокварки или сверхтяжёлые X или Y бозоны из теорий великого объединения, то они будут примером частиц, обладающих одновременно барионным и лептонным числом – для них будут варианты как из материи, так и из антиматерии. Если бы теория суперсимметрии была верной, у нас были бы фермионные двойники фотонов – фотино – не относящиеся ни к материи, ни к антиматерии. У нас могли бы быть даже суперсимметричные бозоны – скварки – и тогда их варианты частиц и античастиц делились бы на материю и антиматерию.

Частицы Стандартной Модели и их суперсимметричные двойники. Из них нашли чуть меньше половины, а свидетельств существования остальных пока никто не видел. Суперсимметрия должна улучшить Стандартную Модель, но пока ещё не сделала ни одного успешного предсказания.

Очень просто было бы считать, что во Вселенной есть материя, состоящая из частиц, и антиматерия, состоящая из их двойников-античастиц. Частично это так – большинство частиц Вселенной состоит из того, что мы считаем материей. Если мы заменим их все на антиматерию, получится то, что мы считаем антиматерией. Это так для всех кварков (с барионным числом +1/3), лептонов (с лептонным числом +1), антикварков (с барионным числом -1/3) и антилептонов (с лептонным числом -1).

Но всё остальное – все бозоны, не имеющие барионных и лептонных чисел, все композитные частицы, суммарные барионные и лептонные числа которых равны нулю, находятся в промежуточной области, не принадлежа ни к материи, ни к антиматерии. В таком случае нельзя один их тип отнести к частице, а другой – к античастице. Да, W⁺ и W^– могут аннигилировать, как частица/античастица, однако их нельзя разделить на материю и антиматерию, как и все остальные бозоны. Они, так сказать, не могут претендовать на такой статус. Нет смысла спрашивать, какой из них – материя, а какой – антиматерия. Друг для друга они являются частицей и античастицей, но ни у одного из них нет свойств, характерных для материи или антиматерии.

физик Дмитрий Побединский отвечает на 7 жизненных вопросов — T&P

Каждую неделю «Теории и практики» публикуют фрагменты из научпоп-изданий, которые попали в этом году в длинный список премии «Просветитель». В книге «Чердак. Только физика, только хардкор!» физик и видеоблогер Дмитрий Побединский объясняет, как все устроено, и отвечает на вопросы, которые многих ставят в тупик. Как нас отражает зеркало; что внутри человека; почему ток может убить; как так вышло, что небо голубое, и каким образом разгоняют тучи — T&P выбрали несколько насущных.

Почему зеркало меняет левую и правую стороны, а верх и низ — нет?

«Чердак.

Только физика, только хардкор!»

Обычное плоское зеркало среди всех направлений выделяет именно вертикальное. И дело не в том, что у нас два глаза, ведь когда вы смотрите одним глазом в зеркало, эффект тот же. Дело не в фундаментальном устройстве нашего мира. Дело даже не в зеркале, оно же просто отражает объекты перед ним! Все намного проще. Вы, возможно, удивитесь, но виной всему гравитация.

В нашем мозгу есть прочное понимание того, где верх, а где низ, так как мы всю свою жизнь, с рождения, ощущаем гравитацию. Для нашего сознания есть выделенное направление, вертикальное. И когда человек пытается сравнить себя со своим отражением, что он делает? Он мысленно перемещает себя за зеркало, при этом сохраняя свою ориентацию относительно вертикальной оси. Ведь у отражения гравитация должна действовать так же. Поэтому левая и правая стороны меняются, а верх и низ — нет.

Но можно мысленно передвинуть себя за зеркало по-другому, вращая вокруг горизонтальной оси. Тогда поменяются местами верх и низ, а лево и право останутся на своих местах. Так что все зависит только от нашего восприятия, а само зеркало тут ни при чем.

Почему животные симметричны?

Приблизительно 75000 человек на Земле обладают зеркальным расположением внутренних органов — сердце у них располагается справа, а печень слева. Это называется транспозицией внутренних органов, объясняется разными факторами, не передается по наследству и никак не мешает жизни этих людей.

Как видите, природа может запросто отразить нас, словно в зеркале, и ничего особо не поменяется. Ну, а внешне и отражать ничего не надо, ведь люди, как и почти все остальные животные, обладают практически идеальной внешней зеркальной симметрией. Ее еще называют билатеральной.

Но зачем нужна эта симметрия? Действительно, у высших животных все органы обладают узкой специализацией: руки, ноги, голова, хвост — все они выполняют разные функции. Отсюда понятно, что верхняя и нижняя, передняя и задняя части туловища должны отличаться. Однако, несмотря на все это, левая и правая стороны тела абсолютно идентичны, как будто природа забыла придумать, с чем будет лучше справляться левая сторона, а с чем — правая. Или дело в другом?

Эволюция симметрии

Ответ довольно прост. Билатеральная симметрия — это, можно сказать, рудимент, особенность, которая передалась нам от наших предков, но при этом не мешала дальнейшей эволюции и осталась, хотя особо сильно мы в ней не нуждаемся.

Давайте перенесемся на 4 миллиарда лет назад. На заре возникновения жизни на Земле, когда все живые организмы были еще одноклеточными, самой идеальной формой для них был шар. Это диктовалось тем, что взаимодействовать с окружающей средой им приходилось во всех направлениях, ни одно из которых особо не выделялось, отсюда и такая форма. То есть тела были сферически симметричны: как их ни поворачивай, они похожи сами на себя. К тому же шар, при заданном объеме, обладает минимальной площадью поверхности, что достаточно экономно и практично.

Но в процессе эволюции организмы усложнялись и увеличивали свою массу. И вот тут вступила в действие гравитация! Из-за нее у живых существ появилась асимметрия по направлению верх—низ. Сверху теперь располагались преимущественно органы чувств, рот. Внизу — средства передвижения. Но осталась симметрия по окружности — радиальная. Можно было вращать тело вокруг вертикальной оси, и ничего не менялось.

Следующий виток эволюции начался, когда организмы поняли, что неплохо было бы перемещаться. Например, чтобы есть друг друга. Тогда появились хищники и жертвы. Тем и другим понадобились скорость и внимание: одним — чтобы догонять, другим — чтобы убегать. Так и появилась асимметрия по направлению перед—зад. Спереди расположились органы восприятия, мозги, рот — в общем, самое важное. Сзади — все остальное.

А вот симметрию между левой и правой сторонами эволюция не затронула. Эта симметрия эволюции никак не мешала, наоборот, она дублировала некоторые органы, и это было даже полезно. Например, два уха нужно, чтобы по задержке сигнала определять, откуда пришел звук. Два глаза необходимо для бинокулярного, объемного зрения. Даже ноздрей нужно две! Хотя, казалось бы, мы можем обойтись и одной. Дело в том, что почти всегда воздух через одну ноздрю движется медленней, чем через другую. Благодаря этому мы можем почувствовать запахи, которым для восприятия нами требуется немного больше времени, чем обычно. Таким образом, две ноздри расширяют диапазон доступных нам ароматов.

Что касается асимметрии внутренних органов, то она появилась из-за их чрезмерного усложнения. Заметьте, это проявляется только в пищеварительной системе — вы только представьте, что вы едите! Для переваривания всего этого нужен целый парк органов! И это чудо, что они хоть как-то поместились в организме, пусть даже несимметрично. И в кровеносной системе то же: сердце смещено из-за возникновения второго круга кровообращения. Если посмотреть на животных попроще (червяков, насекомых, рыб), то мы увидим, что у них внутренние органы абсолютно симметричны.

Другие виды симметрии

Кстати, и другие виды симметрии в природе тоже продиктованы взаимодействием с окружающей средой.

Существует, например, радиальная симметрия, когда тело, повернутое вокруг определенной оси на некий угол, повторяет само себя. Такой симметрией обладают морские звезды, большинство цветов, деревья. Как правило, продиктована она тем же — специализацией по одному направлению (верх—низ), так как по остальным направлениям взаимодействие с окружающей средой абсолютно одинаково. Цветы, которые растут просто вверх, радиально симметричны, а растущие вбок (орхидея, львиный зев) теряют симметрию перед—зад и становятся только зеркально симметричны. Листья, как правило, растут вбок, им радиальная симметрия не нужна, поэтому они симметричны только зеркально.

Конечно, здесь бывают исключения. Но, как говорит великий Шерлок Холмс, это исключения, но только подтверждающие правило! Например, манящий краб, камбала.

Раз мы говорим о симметрии, надо обсудить пчелиные соты. Они кажутся парадоксальным явлением, каким-то чудом природы. Действительно, как пчелам интуитивно удается создать такие стройные ряды одинаковых шестиугольников? Человек не может нормально шестиугольник нарисовать, а тут пчелы! Да и почему соты шестиугольные, а не квадратные, например?

Соты необходимы для хранения меда, яиц, куколок. Их нужно много, они должны быть одинаковы и просты. Существует не так много фигур, которыми можно замостить некую площадь без зазоров, а именно три: треугольник, квадрат и шестиугольник. И вот тут кроется главный секрет. Если взять три этих фигуры одинаковой площади, то наименьший периметр будет у шестиугольника! Значит, при построении именно шестиугольных сот строительного материала на них будет уходить максимально мало. Так что шестиугольность сот — результат хладнокровной оптимизации, достигнутый в процессе эволюции.

А как обстоят дела с симметрией в неживой природе? Возьмем снежинки. Это тот же самый снег, маленький кусочек льда, но какой удивительной формы, и каждый раз неповторимой! Снежинка образуется так. На начальном этапе молекулы воды соединяются друг с другом по три штуки и образуют шестиугольник. Потом на края шестиугольника начинают нарастать еще слои льда, причем со всех сторон одинаково. Правда, этот процесс роста идет с разной скоростью, то быстрее, то медленее. Поэтому и снежинки всегда получаются разными и двух абсолютно одинаковых вы не найдете.

Да и вообще, в неживой природе практически всегда так: если есть симметрия, то, скорей всего, из-за симметричности кристаллической решетки.

Человек на 90% состоит из пустоты?

Из чего состоит человек? Конечно, он состоит из молекул, атомов, протонов, нейтронов, электронов, кварков. Но эти объекты скомпонованы не вплотную друг к другу и между ними есть какое-то пространство. Давайте посчитаем, сколько процентов от объема человека занимают эти пустоты.

Для упрощения будем считать, что все атомы в человеке являются шариками. Тогда, если мы будем выкладывать их слой за слоем, мы можем добиться достаточно плотной, так называемой гранецентрированной кубической упаковки шаров. В таком случае шары заполняют чуть больше, чем 74% пространства, а остальные почти 26% ничем не заполнены. Доказано, что это одна из самых плотных упаковок, поэтому даже в теории человек не может полностью состоять из вещества, и в нем обязательно есть пустота.

Но скорее всего, в человеке атомы не так плотно упакованы, а может быть, даже перекрываются. Поэтому давайте посчитаем по-другому. Мы достаточно точно знаем химический состав человека: это кислород, углерод, водород и т.д. Зная это, мы можем посчитать количество атомов в теле человека. И если это количество умножить на объем этих атомов, то тогда их суммарный объем будет в 10 раз меньше, чем объем тела человека. Получается, что атомы заполняют только лишь 10% человека. Только представьте себе! Посмотрите, например, на свои руки: 90% того, что вы видите, ничем не заполнено.

Но тут возникает несколько вопросов. Во-первых, как атомы могут держаться вместе и не разваливаться, если между ними такие большие расстояния? Конечно, между ними нет никаких палочек, как показывают на картинках в учебнике химии. Атомы действительно висят в пространстве и удерживаются благодаря электростатическим силам притяжения. Это отчасти похоже на неокуб, в котором шарики удерживаются магнитными силами. Только между атомами сила электрическая.

И во-вторых, почему мы не видим промежутки, раз мы настолько пустые? Дело в том, что видимый свет — это электромагнитная волна, размеры которой намного больше, чем расстояние между атомами. В таком случае она не проходит насквозь, а отражается. Но есть электромагнитные волны с маленьким размером — это рентген, гамма-лучи, и вот такие волны могут пронизывать человека насквозь.

Но что происходит внутри атомов? Может быть, там тоже есть пустота? Действительно, атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. И размер ядра в тысячи раз меньше, чем размеры атомов. Если бы оно было размером с яблоко, то сам атом был бы размером со стадион. А электроны — они легкие и маленькие, и, как пылинки, вращаются вокруг ядра. И получается, что атом по большей части пустой.

Но и тут не так все просто. Электрон в атоме нельзя представлять как шарик. Это квантовый объект, местоположение которого невозможно определить. Поэтому, по современным представлениям, электрон расплывается по атому и представляет собой некое электронное облако (причем порой самой причудливой формы), которое заполняет пространство вокруг ядра. Можно сказать, что ядро окружено облаком вероятности найти там электрон. Так что можно считать, что в атоме абсолютной пустоты нет.

Осталось рассмотреть только ядро: что происходит внутри него? Ядро состоит из протонов и нейтронов, а вот они, в свою очередь, состоят из кварков. Несмотря на то, что эти частицы очень-очень маленькие, между ними действует колоссальная сила в 150 000 Ньютонов. Это вес 15-тонного груза. Нет, вы только представьте: на 1 протон можно повесить 15 тонн! Но самое необычное вот в чем. Если мы захотим разорвать протон, возьмемся за два кварка и начнем их растягивать, то сила притяжения между ними будет только увеличиваться. Между кварками существует некая струна, которая в какой-то момент разрывается, и из пространства образуются еще два кварка, которые притягиваются к тем, которые у нас в руках. В итоге в одной руке у нас останется протон, а в другой руке будет мезон. Но как бы мы ни старались, у нас не получится сделать так, чтобы в руке остался только один кварк. Это явление называется конфайнмент. Оно означает, что кварки заперты в своих частицах и их вообще никак невозможно разделить.

Стоп, а откуда же берутся новые кварки? Из вакуума, что ли? Да, действительно, оказывается, вакуум наполнен виртуальными частицами, которые то рождаются, то исчезают. Это называется нулевыми колебаниями вакуума. И вы только представьте: оказывается, истинной пустоты нигде нет. Все заполнено виртуальными частицами. То есть получается, что на 90% человек состоит не из пустоты, а из виртуальных частиц.

Как убивает ток?

Как убивает электрический ток? На самом деле вопрос очень сложный, потому что ток оказывает на человека различное воздействие: тепловое, химическое, психологическое. Поэтому существует очень много факторов, из-за которых можно погибнуть. И почему-то очень мало экспериментов проведено на эту тематику. Поэтому давайте рассмотрим только три самых частых причины смерти от электрического тока.

Первая — это фибрилляция. Сердце перекачивает кровь благодаря ритмичному сокращению мышц. Это происходит из-за слабых ритмических импульсов, которые генерируются в определенных клетках сердца и передаются мышцам. И если через сердце пройдет очень сильный электрический ток, то мышцы могут потерять чувствительность к этим слабым электрическим импульсам. Они выходят из-под контроля и словно становятся сумасшедшими. Они начинают быстро, хаотично и нескоординированно сокращаться, и в таком состоянии кровь уже не перекачивается. Это и называется фибрилляция. Кровоток останавливается, кислород не поступает в мозг, и он может умереть через 5 минут от кислородного голодания. Что примечательно: прекратить фибрилляцию можно также благодаря электрическому току, с помощью дефибриллятора. Это такая встряска напряжением в 7 тысяч вольт, которая может заставить сердце восстановить свою стабильную работу.

Еще одна причина гибели от электрического тока — это паралич дыхательных мышц. Для начала надо уточнить, что объем легких увеличивается и уменьшается не из-за того, что там становится больше или меньше воздуха, а из-за того, что благодаря мышцам грудная клетка то увеличивает объем, и тогда воздух втягивается внутрь, то уменьшает объем, и тогда воздух выходит обратно. Вот так происходит дыхание, и контролируется этот процесс тоже благодаря электрическим импульсам, которые в данном случае генерирует мозг. Электрический ток может заблокировать мышцы грудной клетки, так как они потеряют чувствительность к этим электрическим импульсам. Человек не может ни вдохнуть, ни выдохнуть, и поэтому умирает от удушья.

И еще одна причина смерти от электрического тока — это ожоги. Когда по проводнику движется электрический ток, то заряженные частицы ударяются о молекулы проводника, эти молекулы увеличивают свою скорость, и температура проводника в целом увеличивается. Именно так устроены утюг, паяльник, плита. Абсолютно такой же нагрев может происходить в теле человека, и тогда он может получить смертельные ожоги внутренних органов.

Есть еще один вопрос: что же все-таки убивает? Ток или напряжение? Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, а напряжение — это всего лишь характеристика электрического поля, под воздействием которого и начинается это упорядоченное движение. Поэтому можно считать, что электрический ток — это следствие напряжения и напряжение первично. Но убивает все равно электрический ток. Напряжение можно уподобить лучнику, а ток — стреле. Да, лучник создает движение, но убивает все равно стрела. Если будет очень большой ток, то вам точно крышка. А если будет очень высокое напряжение, то еще не факт.

В подтверждение этому можно привести скин-эффект. Электрический ток бывает постоянный, который течет только в одном направлении, и переменный, который меняет свое направление. И если он меняет направление тысячи раз в секунду, то тогда он протекает лишь по поверхности, не заходя внутрь проводника. Самый простой пример скин-эффекта — это плазменный шар. Если человек дотрагивается до него, по нему протекает электрический ток и уходит в землю и окружающее пространство. Напряжение здесь очень высокое — до 5 тысяч вольт. Однако из-за высокой частоты ток протекает только по коже и не причиняет никакого вреда.

Есть еще один интересный эффект — люминесценция. Если к плазменному шару поднести неподключенную лампу дневного света, она начинает светиться. Дело в том, что когда лампа подключается к сети, в ней возникает очень высокое напряжение (с помощью преобразователя), намного больше, чем 220 вольт, именно из-за этого она и светится. В данном случае происходит почти то же самое. Вокруг шара возникает высоковольтное электрическое поле, которое пронизывает все тела вокруг. Оно проходит внутрь лампы и заставляет ее светиться.

Ток — опасная штука. Будьте аккуратны с электричеством!

Почему небо голубое?

Почему небо голубое, если воздух прозрачный? Почему на каком-то удалении появляется синева, откуда она берется?

Этот эффект обеспечивают несколько факторов. Первый из них — это рассеивание света. Мы знаем, что свет представляет собой электромагнитные волны. Причем каждому цвету из спектра соответствует строго определенная частота. Белый солнечный свет — смесь всех этих цветов. И когда он попадает в атмосферу, то начинает рассеиваться, то есть немного менять направление. Но законы рассеивания таковы, что чем больше частота, тем сильнее отклонения лучей. Получается, что красный, оранжевый, желтый оттенки проходят атмосферу практически по прямой. А вот голубые, синие, фиолетовые лучи рассеиваются намного сильнее. Поэтому они начинают путешествовать в атмосфере, постоянно меняя направление. Соответственно, если мы смотрим не на солнце, то именно эти лучи-путешественники и должны приходить нам в глаза со всех сторон.

Можно привести аналогию с шариками разных размеров, которые скатываются с наклонной ребристой поверхности. Более крупные шарики движутся по ней практически по прямой. Более мелкие начинают рассеиваться и немного менять направление движения.

Но почему небо не фиолетовое? Ведь рассеивается сильнее всего именно этот оттенок. Вот тут сказывается второй фактор: в солнечном спектре разные цвета имеют разную интенсивность. Что касается фиолетового, то его интенсивность меньше, чем голубого или синего. Именно поэтому в атмосфере наибольшее количество рассеянных лучей именно голубого оттенка. Что касается закатного, красного неба, то в таком случае лучи падают по касательной к поверхности земли и проходят огромную толщу атмосферы, настолько большую, что слабенькое рассеивание красных оттенков уже дает о себе знать. Именно поэтому небо имеет такой цвет, несмотря на то, что воздух прозрачный.

Кстати, облака тоже должны быть прозрачными, ведь они состоят из воды. Но мы видим, какие они белые. Это происходит опять же из-за рассеяния. Однако облака состоят из более крупных частичек, микроскопических капелек жидкости, и поэтому рассеиваются абсолютно все оттенки: от красного до фиолетового. Ну, а при смешивании они дают белый цвет.

И раз уж мы заговорили о спектре солнца, то нужно понимать, что оно испускает и радиоволны, микроволны, ультрафиолетовое, инфракрасное излучение и даже немного рентгеновского. Так что видимое излучение — это всего лишь маленькая часть того, что излучает наше светило. Все это электромагнитные волны, и они обладают такими же свойствами, как и обычный свет.

Но вот почему на нашей планете вообще нет существ с чисто инфракрасным зрением? Или, например, с ультрафиолетовым? Во всем виновата эволюция. Если вы посмотрите на интенсивность солнечного света во всем спектре, то окажется, что самым ярким является зеленый свет. И живые существа в процессе естественного отбора приспособились к самому яркому излучению, которое падает к нам от солнца. Именно эти электромагнитные волны и стали видимым диапазоном спектра.

Как разгоняют тучи перед парадом?

Приятно, когда за окном лето, каникулы, хорошая погода, солнце. Но дождливые дни тоже иногда случаются. И как же иногда хочется управлять погодой и подстраивать ее под свое настроение! Что ж, при сильном желании и большом количестве денег нет ничего невозможного.

Ни для кого не секрет, что в крупных городах перед большими праздниками разгоняют тучи, чтобы была ясная и солнечная погода. Но как это делают? Все очень просто. Есть большие самолеты с огромными руками. Они летают вокруг города и отодвигают тучи!…

Нет-нет, конечно же, такого не бывает. На самом деле тучи не разгоняют, а осаждают, то есть заставляют их выпасть в виде дождя где-то вдалеке, благодаря чему облако исчезает. Но как заставить тучу выпасть в виде осадков?

Давайте разберемся, как образуются облака. В воздухе постоянно присутствует влага, невидимые водяные пары, которые испаряются с поверхности озер, океанов, луж. Эти водяные пары поднимаются вверх и конденсируются. В результате конденсации образуются микроскопические капельки жидкости, которые рассеивают свет. Возникает некий туман, это и есть облако. Но конденсация не может происходить просто так, при понижении температуры. Для этого нужны какие-то пылинки, взвешенные частички в воздухе, вокруг которых и образуется микрокапелька. Ну и конечно же, вокруг маленьких пылинок образуются настолько маленькие микрокапельки, что восходящие потоки воздуха не дают им упасть. Поэтому облако держится на плаву.

Если мы хотим, чтобы облако расплакалось, у нас есть два способа. Первый способ — это посыпать облако какими-то крупными частицами. Дешевый вариант — это цемент в виде порошка, более дорогой вариант — это йодистое серебро. В результате на этих крупных частицах образуются большие капли, которые выпадают в виде дождя. И второй способ — это охлаждение облака для усиления естественной конденсации. Для этого в туче распыляют жидкий азот или сухой лед. Эти вещества обладают очень низкой температурой, и общая температура в облаке немного понижается. Этого понижения достаточно для того, чтобы образовывались более крупные капли, которые выпадают в виде дождя. Ну и, конечно же, цена вопроса. Самый простой способ — это закидать все цементом, однако образующийся дождь получается очень грязным и противным. А вот качественный разгон облаков стоит около 2,5 миллиона долларов.

Почему гелий меняет голос?

Гелий — это газ из восьмой группы периодической таблицы Менделеева. Почему гелий так сильно меняет голос? Мало того, что голос становится более высоким, так он еще оказывается более искаженным и как будто бы игрушечным.

На этот счет существует очень много версий: повышается частота колебаний голосовых связок; гелий более легкий, поэтому выходит быстрее; гелий меняет химический состав голосовых связок. Но нет, на самом деле все по-другому.

Вспомним о том, что звук — это волна. И у нее есть частота ν, длина λ и скорость распространения V. Эти три параметра связаны очень важным соотношением, которое еще нам пригодится:

Звуковые волны могут распространяться достаточно далеко. И длина волны означает лишь ее масштабы. Звуковые волны могут быть очень большими, а могут быть очень маленькими. Но частоте соответствует высота, тон, нота, на которой мы слышим звук.

Для начала давайте разберемся, как в таком маленьком пространстве получается достаточно громкий человеческий голос? При выдохе, из-за набегающего потока воздуха, голосовые связки начинают вибрировать и издавать звук. Причем он настолько тихий, что мы его даже не слышим. И дело вот в чем: оказывается, при таких колебаниях помимо основной частоты возникают дополнительные, так называемые обертона. Их частота в 2—3 раза и более больше, чем основная. То же самое происходит при колебаниях струны, там тоже возникают дополнительные частоты. Благодаря колебаниям голосовых связок воздух в легких, в гортани, в ротовой полости тоже начинает колебаться. Это называется резонанс.

Резонанс — это резкое возрастание амплитуды колебаний при совпадениях частоты вынуждающей силы и собственной частоты резонатора. Обратите внимание, практически у каждого музыкального инструмента есть резонатор, колебание воздуха в котором увеличивает громкость звучания. Резонанс происходит не на всех частотах, а на вполне определенных, с конкретной длиной волны. И вот уже эта длина волны непосредственно зависит от размеров и формы резонатора. Именно эти волны являются самыми громкими, а остальных мы практически не слышим. А в любом человеческом голосе присутствуют 4—5 длин волн, на которых происходит резонанс. У всех они, конечно, разные, поэтому каждая имеет свой окрас голоса, так называемый тембр.

Ну и теперь главное: что все-таки делает гелий с нашим голосом? Да, он легче, да, у него меньше плотность, но он не заставляет наши связки колебаться с более высокой частотой. У гелия очень маленькая молярная масса, она в 7 раз меньше, чем у воздуха. Вследствие этого скорость звука в нем практически в 3 раза больше, чем в воздухе. Но резонанс происходит на тех же длинах волн, потому что размеры резонатора не поменялись. Поэтому, если мы посмотрим на соотношение величин, то увидим, что при увеличении скорости звука должна увеличиваться частота волн.

Вот и получается, что все резонансные частоты увеличиваются, и из-за этого, во-первых, повышается тон голоса, а во-вторых, он становится не настоящим, а искусственным, потому что от их положения зависит тембр голоса. Ну, а при переходе из гелия в воздух скорость звука уменьшается, но теперь меняется длина волны, а частота остается неизменной. Именно поэтому мы слышим все тот же высокий звук. И, конечно же, можно достичь обратного эффекта — понижения голоса. Для этого нужен газ с большой молярной массой, например, гексафторид серы (элегаз). Голос становится мистическим и устрашающим. Поэтому я советую его использовать, если вы хотите кого-то напугать ночью, когда он вас не видит.

Что такое самая маленькая частица элемента? Легкая наука для детей

Читая о протонах и нейтронах, многие студенты задают вопрос, какая самая маленькая частица элемента?

Эти частицы известны как атомы, и многие ученые считают, что атом — это самая маленькая частица любого элемента. Хотя это частично верно, позже было обнаружено, что атом состоит из различных частей, а именно электронов, протонов и ядра.

Атомы являются частицы, которые образуют фундаментальные строительные блоки материи и структурных элементов. Поскольку раньше атомы считались мельчайшими вещами во Вселенной и не могли быть разделены, термин «атом» происходит от греческого слова «неделимый».

Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Скорость кварка зависит от количества протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны впоследствии объединятся для создания ядер. Когда Вселенная образовалась после Большого взрыва, водород и гелий были первыми атомами, и, по сути, они до сих пор являются самыми распространенными атомами во Вселенной.

Прочитав все о протонах и нейтронах, обязательно узнайте, какой металлический элемент является единственным жидким при комнатной температуре, и какая кость в теле самая маленькая.

Что такое атом?

Наименьшая единица материи, из которой состоит элемент, называется атомом. Нейтральные или ионизированные атомы составляют всю материю, жидкость, газ и твердое тело. Атомы чрезвычайно малы и имеют диаметр 100 пикометров.

Протоны, нейтроны и электроны являются тремя составными частями современной модели атома. Каждый из этих компонентов имеет связанный с ним заряд: протоны имеют положительный заряд, электроны имеют отрицательный заряд, а нейтроны вообще не имеют заряда. Протоны и нейтроны образуют ядро ​​атома, согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, а электроны вращаются вокруг него в «облаке».

Ядро составляет более 99,94% массы атома. Количество пар протон-нейтрон определяет скорость движения частиц в атоме.

Почему атом является наименьшей частицей элемента?

Теперь, когда мы знаем, что атом является наименьшей частицей элемента, вы можете задаться вопросом, в чем причина этого? Ответы на ваши вопросы о том, что атом является наименьшей частицей элемента со свойствами объемного элемента, лежат в теории атомов Дальтона.

Эту теорию выдвинул Джон Дальтон, химик из Великобритании. Он основывался на нескольких принципах Демокрита и добавлял некоторые из своих собственных понятий. Некоторые из идей, которые он выдвинул об атомах, утверждали, что они не могут быть ни созданы, ни уничтожены. и разные атомы разных элементов будут проявлять разные качества и иметь разный вес. Далее он добавил, что для элемента все атомы будут в точности одинаковыми и что для создания материи атомы должны объединяться в простые и целые числа.

Все ли элементы состоят из атомов?

Да, поскольку все элементы состоят из одного атома, было бы правильно сказать, что все элементы состоят из атомов. Но в чем причина этого? Что ж, у нас есть ответы для вас!

Чтобы понять создание элементов, необходимо принять во внимание атом, который является строительным блоком каждого элемента и обладает всеми свойствами элемента. Например, один атом меди будет проявлять все свойства меди, например оставаться твердым при комнатной температуре. Атомы меди невозможно разбить на более мелкие единицы.

Протоны имеют положительный электрический энергетический заряд, в то время как электроны имеют отрицательный заряд, а нейтроны его не имеют. Если число протонов и электронов в атоме одинаково, то он электрически нейтрален. Когда атом содержит больше или меньше электронов, чем протонов, он имеет отрицательный или положительный общий заряд, и эти атомы известны как ионы.

Какие существуют типы атомов?

Теперь, когда мы обсудили атом и то, что это наименьшая единица, из которой состоит элемент. Вопрос в том, сколько существует типов атомов и какие существуют типы атомов? Существует множество различных типов атомов, включая изотопы, стабильные атомы и радиоактивные атомы. Возможно, вы также слышали о термине «молекула». Молекула — это соединение двух или более атомов.

Изотопы — это атомы в химическом элементе с другим количеством нейтронов, чем протон и электроны, и имеют разные свойства. Количество протонов и электронов одного и того же элемента в каждом атоме одинаково, но количество нейтронов может варьироваться. Это связано с тем, что нестабильный атом содержит слишком много внутренней энергии, из-за чего ядро ​​спонтанно переходит в более стабильное состояние. Это называется «радиоактивным распадом». Каждый элемент существует в виде изотопов, представляющих собой атомы с ядрами разного размера. Изотопы выделяют энергию в виде излучения при распаде.

На Земле водород является обычным элементом. Водород имеет атомный номер один, а его ядро ​​содержит один протон. Атом водорода также имеет один электрон. Атом водорода нейтрален, так как состоит из одинакового количества протонов и электронов. Однако один из каждых 6000 атомов водорода имеет в своем ядре нейтрон. Из-за одинакового количества электронов и протонов эти атомы по-прежнему являются водородом; им не хватает только нейтрона, который есть у обычных атомов водорода. Изотопы — это названия, данные этим атомам.

Здесь, в Kidadl, мы тщательно подготовили множество интересных семейных фактов для всех! Если вам понравились наши предложения о том, что такое мельчайшая частица элемента, легкая наука для детей, то почему бы не взять посмотрите, какого цвета слоновая кость, разница между кремовым и слоновой костью или мурлыкающие факты о кошке Ragamuffin, дети будут люблю?

Физики расщепили атом с помощью точности квантовой механики — ScienceDaily

Исследователи из Боннского университета только что показали, как один атом можно разделить на две половины, разделить и снова собрать. Хотя слово «атом» буквально означает «неделимый», законы квантовой механики позволяют делить атомы — подобно световым лучам — и воссоединять их. Исследователи хотят построить мосты квантовой механики, позволив атому касаться соседних атомов, пока он разрывается, чтобы он работал как пролет моста между двумя столбами.

Результаты только что были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Делящиеся атомы? То, что звучит как ядерное деление и радиоактивность, на самом деле является точным процессом с использованием квантовой механики. Законы квантовой механики позволяют объектам существовать в нескольких состояниях одновременно. На этом основан так называемый эксперимент с двумя щелями, в котором частица может проходить через две щели одновременно. Боннским ученым, работавшим с профессором доктором Дитером Мешеде из Института прикладной физики Боннского университета, удалось удержать один атом одновременно в двух местах, которые находились на расстоянии более десяти микрометров, или одной сотой миллиметра. Это огромное расстояние для атома. После этого атом был собран обратно неповрежденным.

Атом обладает раздвоением личности

Хрупкие квантовые эффекты могут проявляться только при самых низких температурах и при осторожном обращении. Один из методов заключается в сильном охлаждении атома цезия с помощью лазеров — до температуры в одну десятую миллиона выше абсолютного нуля — и последующем удерживании его с помощью другого лазера. Этот лазерный луч является ключом к расщеплению атома. Это работает, потому что у атомов есть спин, который может двигаться в двух направлениях. В зависимости от направления атом может перемещаться лазером вправо или влево, как на конвейере. Суть в том, что вращение атома может быть одновременно в обоих направлениях. Итак, если атом сдвинуть вправо и влево одновременно, он расщепится. «Атом имеет своего рода раздвоение личности, половина его находится справа, а половина — слева, и все же он остается целым», — объяснил Андреас Штеффен, ведущий автор публикации.

Части сравнивают свои «опыты»

Но вы не можете увидеть раскол напрямую; если вы направите свет на атом, чтобы сделать снимок, раскол немедленно разрушится. Затем атом можно увидеть на нескольких изображениях; иногда слева, иногда справа — но никогда в обоих местах. И все же расщепление можно успешно доказать, если снова собрать атом. Таким образом, из отдельных атомов можно построить интерферометр, который можно использовать, например, для точного измерения внешних воздействий. Здесь атомы расщепляются, расходятся и снова соединяются. То, что станет видимым, например, это различия между магнитными полями двух положений или ускорений, поскольку они отпечатываются в квантово-механическом состоянии атома. Этот принцип уже использовался для очень точного исследования таких сил, как ускорение Земли.

Квантовые системы как инструменты?

Боннские ученые, однако, ищут нечто иное: моделирование сложных квантовых систем. Многие физики долгое время надеялись смоделировать так называемые топологические изоляторы или фотосинтез растений — явления, которые трудно зафиксировать с помощью современных суперкомпьютеров, — используя небольшие квантовые системы. Первые шаги на пути к таким симуляторам могут состоять в моделировании движения электронов в твердых телах, что позволит получить представление об инновационных электронных устройствах. Примерами этого являются дираковское движение электронов в одном слое графа или появление искусственных молекул из взаимодействующих частиц. Но для этого нужно было бы не только хорошо контролировать отдельные атомы, но и связывать их в соответствии с законами квантовой механики, поскольку суть вопроса заключается именно в структуре, составленной из множества квантовых объектов.

Шестеренка в редукторе

«Для нас атом — это хорошо управляемая и смазанная шестеренка, — сказал доктор Андреа Альберти, руководитель группы Боннского эксперимента. «Вы можете построить калькулятор с замечательной производительностью, используя эти винтики, но для того, чтобы он работал, они должны быть задействованы». Именно в этом заключается фактическое значение расщепления атомов: поскольку две половинки снова соединяются вместе, они могут вступать в контакт с соседними атомами слева и справа от них, а затем делиться ими. Это позволяет сформировать небольшую сеть атомов, которую можно использовать — как в памяти компьютера — для моделирования и управления реальными системами, что сделало бы их секреты более доступными. Ученые считают, что весь потенциал управления отдельными атомами именно в этом проявится со временем.

История Источник:

Материалы предоставлены Universität Bonn . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Расщепление электрона | Природа

Расщепление электрона

Скачать PDF

• Опубликовано: 15 сентября 2000 г.

• Филип Болл  

Природа (2000)Цитировать эту статью

• 624 доступа

• 2 Альтметрика

• Сведения о показателях

Новое исследование предполагает, что ученые могут разделить электрон. Разве нет ничего святого, спрашивает Филип Болл?

У вас есть полный доступ к этой статье через ваше учреждение.

Скачать PDF

Скачать PDF

Спустя 2400 лет после того, как греческий философ Демокрит предложил неделимый атом, и более чем через 80 лет после того, как Эрнест Резерфорд впервые расщепил его, идея о том, что эти строительные блоки материи не являются неделимыми, как следует из их названия, стала общепринятой. Атомы ежедневно расщепляются в ядерных реакторах.

Теперь Хамфри Марис из Университета Брауна в Род-Айленде, США, предлагает нечто еще более шокирующее для научной ортодоксальности. Он считает, что электроны тоже можно расщепить — на фрагменты, называемые «электрино».

Британский физик Дж. Дж. Томпсон в 1897 году открыл электрон (за что в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике). Он пришел к выводу, что «катодные лучи», освещающие теперь телевизионные экраны, представляют собой пучки этих крошечных электрически заряженных субатомных частиц.

Примерно в 1912 году Резерфорд и датский физик Нильс Бор предположили, что атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг плотного ядра других субатомных частиц. В сущности, это преобладающая сегодня картина атома.

Считается, что ядерные частицы — протоны и нейтроны — содержат еще более фундаментальные частицы, называемые «кварками». Электроны, наоборот, считаются неделимыми. Они в 2000 раз легче протонов и по меньшей мере в 100 миллионов раз меньше атома.

Если бы электрон был «расщепляемым», можно было бы ожидать обнаружения частиц с некоторой долей отрицательного электрического заряда электрона. Ни об одном подобном никогда не сообщалось (хотя электроны в твердых телах могут иногда вступать в сговор так, чтобы казались имеющими меньшие заряды). Можно простить мысль, что нет ни малейшего доказательства в поддержку «электронного фрагмента». Но Марис нашла кое-что.

Он снова посмотрел на эксперименты, впервые проведенные в 1960-х и 1919 годах.70-е годы. В них электроны инжектировались в сжиженный гелий (который существует только при минус 269°С, примерно на 4 градуса выше абсолютного нуля).

Электроны в гелии ведут себя загадочным образом, для которого пока нет полностью удовлетворительного объяснения. Они создают крошечные пузырьки диаметром около 4 миллионных долей миллиметра (примерно 400 атомов ширины), в которые не может проникнуть гелий. Когда на эти пузырьки попадает свет, кажется, что появляются новые неопознанные отрицательно заряженные частицы.

Физика низких температур полна таких странностей. Загадка заключалась в том, что свет не просто выталкивал электроны обратно из гелия. На самом деле, было непонятно, что с ними произошло. Марис предполагает, что электроны разделились.

Он предполагает, что свет заставляет пузыри колебаться, пока они не разобьются, как капли дождя. Он говорит, что в начальном пузыре электрон ведет себя как своего рода волна. Когда пузырек лопается, каждый фрагмент уносит с собой часть электронной волны — «электрино».

Марис говорит, что такое поведение возможно в жидком гелии, потому что он ведет себя как «сверхтекучее вещество», которое течет с явно нулевой вязкостью. Таким образом, колебания пузырька, приводящие к разрыву, не заглушаются, как это было бы в обычной жидкости.

Марис спокойно опубликовал свою идею в Journal of Low Temperature Physics ¹ , но она наверняка вызовет споры. Некоторые физики, такие как Гэри Ихас из Университета Флориды, говорят, что еще не исключены более традиционные объяснения загадочных заряженных частиц, создаваемых светом. Но Питер МакКлинток из Ланкастерского университета в Великобритании, эксперт в области низкотемпературной физики гелия, называет статью Мариса «чрезвычайно интересной».

Ссылки

1. Марис,Х. J. О делении элементарных частиц и доказательствах дробных электронов в жидком гелии. Journal of Low Temperature Physics 2000. /pubyear>. Препринт доступен по адресу

Ссылки на скачивание

Авторы

1. Филип Болл

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Лиза Мейтнер, ученый, изменивший медицину путем расщепления атомов · Границы для молодых умов

Abstract

Расщепление атомов, также известное как деление ядер, приводит к излучению и радиоактивности. Доктор Лиза Мейтнер в 1939 году открыла, как может образовываться радиоактивность. Она обнаружила, что запуск небольшой частицы, называемой нейтроном, в другой атом может вызвать выброс радиации. Созданные таким образом радиоактивные атомы могут быть полезны для обнаружения рака или проверки правильности работы органов тела. Когда радиоактивные атомы вводятся в кровь пациента, они проходят через тело и выделяют излучение, которое можно обнаружить с помощью специальных камер, создавая изображения или видео тканей тела. Таким образом, радиация помогает врачам лучше диагностировать и лечить пациентов. К сожалению, д-р Мейтнер столкнулась со многими препятствиями, и ей никогда официально не приписывали ключевое открытие ядерного деления.

Атомы и ядерные реакции

Все и все, что мы видим в окружающем нас мире, состоит из крошечных атомов. В центре каждого атома находится ядро, содержащее еще более мелкие частицы, называемые нейтронами и протонами (рис. 1). Отрицательно заряженные электроны постоянно движутся вокруг ядра. Электроны притягиваются к протонам в ядре, которые заряжены положительно, подобно тому, как магниты притягиваются друг к другу. Электроны также позволяют образовывать связи между отдельными атомами, создавая молекулы [1] ¹ . Ядерные реакции относятся к реакциям, происходящим в ядре атома. Ядерные реакции могут производить определенные виды энергии или новые радиоактивные атомы, которые находят широкое применение в медицине. Эти энергии известны как излучение, потому что энергия «излучается» из атома точно так же, как тепло излучается на вас солнцем или радиатором.

• Рисунок 1 – Строение атома.
• Атомы состоят из ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Протоны (положительно заряженные) и нейтроны (бесзарядные) находятся внутри ядра (рисунок создан с помощью BioRender.com).

Ядерное деление и радиоактивность

Радиоактивные атомы излучают энергию в виде излучения. Эта энергия высвобождается из-за дисбаланса числа протонов и нейтронов в ядре, что делает атом нестабильным. Высвобождение энергии делает атом более стабильным. Итак, излучение — это энергия, высвобождаемая из нестабильных атомов в виде высокоэнергетических частиц или энергетических волн.

Более 100 лет назад Мария Кюри открыла естественную радиоактивность. Однако теперь мы знаем, как получить радиоактивность с помощью машин, которые запускают нейтроны в другой атом. Эти машины, называемые ядерными реакторами, вызывают реакции ядерного деления, которые расщепляют атомы и высвобождают радиоактивную энергию и большее количество нейтронов (рис. 2). Мейтнер была физиком-ядерщиком, чьи исследования объясняли, как нестабильные атомы производят излучение. Ее открытие ядерного деления в 1939 привели к разработкам в медицине, которые используются до сих пор [2] ² .

• Рисунок 2 – Реакция ядерного деления.
• Когда быстро движущийся нейтрон попадает в ядро ​​атома, ядро ​​становится нестабильным и распадается на более мелкие части, при этом также высвобождаются нейтроны и энергия в виде излучения. Продукты деления — это атомы, которые также могут становиться нестабильными и, таким образом, продолжать испускать радиацию в результате цепной реакции (рисунок создан с помощью BioRender.com).

Научный вклад Лизы Мейтнер

В 1913 году ученые уже знали, что баланс количества протонов, нейтронов и электронов в атоме влияет на его стабильность и что радиоактивность исходит от ядра. Доктор Мейтнер и ее коллега, немецкий химик Отто Ган, занимались поиском новых радиоактивных элементов. В 1918 году они идентифицировали протактиний-231, который представляет собой радиоактивный атом, называемый радиоизотопом [3].

Живя в Швеции, доктор Мейтнер и ее племянник Отто Фриш вместе работали над созданием теории, объясняющей расщепление ядра атома на более мелкие части. Они назвали более мелкие части осколками деления. Они рассчитали выделяющуюся энергию и назвали эту реакцию ядерным делением. Несмотря на всю эту работу, Нобелевская премия по расщеплению ядер была присуждена старому коллеге доктора Мейтнер, Гану. Он полагался на знания доктора Мейтнера в области ядерной физики, чтобы понять свои собственные открытия в области химии. К сожалению, поскольку Ган был первым, кто опубликовал эти идеи, д-р Мейтнер и ее племянник не получили большого признания за открытие [4].

Радиоизотопы для визуализации болезней

Открытие ядерного деления привело ко многим достижениям в области медицины (рис. 3). Радиоизотопы позволяют врачам получать медицинские изображения тела, что помогает им диагностировать и лечить заболевания. Радиоизотопы вводят пациенту либо путем инъекции, либо с едой или питьем, предоставляемыми в больнице. Когда радиоизотоп перемещается внутри тела, специальные камеры снаружи тела могут обнаружить излучение. Это создает изображение или видео костей и мягких тканей тела. Например, эти изображения могут сказать нам, если почка не работает должным образом, но более того, они могут сказать даже врачам какая почка, а также какая часть почки неисправна. Медицинские изображения также могут помочь определить точные размеры и расположение раковых опухолей.

• Рисунок 3. Реакции ядерного деления испускают различные виды излучения, включая радиоизотопы, радиационные волны и высокоэнергетические частицы, каждый из которых имеет множество медицинских применений.
Радиоизотопы
• можно использовать в медицинских исследованиях, лечении рака и для медицинской визуализации, что полезно для планирования и мониторинга терапии. Гамма-лучи можно использовать для стерилизации медицинских инструментов для хирургии или для обеззараживания продуктов питания и косметических средств, чтобы обеспечить их гигиеничность. Частицы высокой энергии, такие как протоны и электроны, можно использовать в качестве внешних лучей, направленных на нацеливание и уничтожение опухолевых клеток (рисунок создан с помощью BioRender.com).

Лучевая терапия

Лучевая терапия также может быть использована для лечения заболеваний. Это называется лучевой терапией. Целью лучевой терапии рака является повреждение ДНК раковых клеток. ДНК — это код для всех строительных блоков, клеток, из которых состоит тело. Повредив ДНК в раковой клетке, эта клетка больше не знает, как поддерживать свою жизнь, поэтому она умирает. Результатом является снижение роста рака или даже полное устранение рака. Врачи решают, какой тип лучевой терапии использовать, в зависимости от размера, типа и локализации рака в организме. График лечения тщательно планируется путем расчета целевой области рака, количества необходимого облучения, а также продолжительности и количества сеансов лечения.

Большая часть лучевой терапии осуществляется извне, с использованием более сложной и мощной версии рентгеновского излучения. Это называется внешней лучевой терапией. Однако некоторые радиоактивные источники могут использоваться внутри организма. Это известно как внутренняя лучевая терапия. Так же, как и для целей визуализации, радиоизотопы, используемые во внутренней лучевой терапии, вводятся пациенту и распространяются по всему телу. Однако тип используемого излучения отличается, потому что врачам необходимо убедиться, что излучение проходит внутри тела только на короткое расстояние, чтобы не повредить здоровые клетки. По этой причине для внутренней лучевой терапии используются частицы, называемые альфа- и бета-частицами, а не рентгеновские лучи. Также радиоактивность может быть связана с некоторыми соединениями, переносящими излучение туда, где находится опухоль. Внутренняя лучевая терапия с использованием радиоизотопов очень хорошо облучает и уничтожает опухоли, расположенные в разных частях тела. Это снижает вероятность рецидива рака. Эти виды опухолей нельзя лечить с помощью внешней лучевой терапии.

Другие виды использования радиации

Радиация также используется для стерилизации медицинских инструментов (игл, скальпелей и шприцев), необходимых для хирургии (рис. 3). Это важно для предотвращения попадания микробов в организм пациента. В производстве продуктов питания радиация используется для уничтожения инфекционных микробов, таких как сальмонелла. Это помогает продуктам храниться дольше, не загрязняя и не изменяя их, как это делают химикаты. Радиация иногда используется для борьбы с большим количеством вредителей, таких как комары, что делает их неспособными к размножению.

Препятствия, с которыми столкнулась Лиза Мейтнер

Лиза Мейтнер родилась в 1878 году в еврейской семье из 8 детей в Вене, Австрия. В то время быть женщиной в науке было сложно, но доктору Мейтнер удалось доказать свою ценность в области, где доминируют мужчины. Она построила успешную карьеру и сделала несколько прорывов среди женщин. Когда она поступила в Венский университет в 1901 году, она была одной из четырех женщин, допущенных к нему. Она была лишь второй женщиной, получившей докторскую степень в университете в 1919 году.05[4]. В Берлине, когда она тесно сотрудничала с Отто Ганом в Химическом институте, Ган нашел для нее место в подвале, хотя женщинам вход в здание был запрещен. После 14 лет участия в исследованиях радиоактивности д-р Мейтнер стала первой женщиной-профессором физики в Германии в 1926 году [4]. Большую часть своей жизни она проработала в Берлине, но в 1938 году ей пришлось бежать из нацистской Германии и переехать в Швецию [4].

Альберт Эйнштейн назвал доктора Мейтнер «немецкой мадам Кюри» из-за ее новаторской работы. Однако в то время она не получила заслуженной похвалы. Ее экспериментальная работа стала ключом к модели строения атома Нильса Бора, за которую он получил всеобщее признание и Нобелевскую премию в 1919 году.22. Сегодня во многих немецких музеях достижения доктора Мейтнер почти не признаются, и она почти незаметна во всех работах и ​​автобиографиях Гана. Вполне вероятно, что политическая ситуация того времени и бегство доктора Мейтнер из нацистской Германии в качестве еврея затруднили для Гана признание их совместной работы [4].

Несмотря на препятствия, с которыми Лизе Мейтнер столкнулась на протяжении своей карьеры, она полностью посвятила свою жизнь ядерной физике. Она так и не вышла замуж и продолжала свою работу до 81 года [3]. К сожалению, научные открытия могут привести к нежелательным последствиям, таким как разработка ядерного оружия. Это глубоко расстроило доктора Мейтнер, который отказался от работы над атомной бомбой в составе британской научной делегации [4]. Будучи миролюбивым человеком, доктор Мейтнер был бы очень рад великим достижениям медицины, основанным на расщеплении ядер. Доктор Мейтнер вышла на пенсию в Кембридже (Англия) со своим племянником и умерла в 1968 лет, в возрасте 90 лет [4]. В 1992 году в ее честь был назван элемент мейтнерий, чтобы, наконец, отметить ее вклад в ядерную науку [5].

Глоссарий

Атом : ↑ Это маленькие частицы, содержащие ядро ​​и электроны, из которых состоит все во Вселенной, включая людей, пищу, деревья и здания.

Излучение : ↑ Высвобождение энергии из (радиоактивного) источника в виде волн, лучей или частиц.

Деление ядра : ↑ Расщепление ядра атома на два более легких ядра с одновременным выделением энергии в виде излучения.

Радиоизотоп : ↑ Радиоактивный атом с нестабильным ядром и слишком большой энергией, которую он выделяет в виде излучения в виде частиц или волн.

Визуализация : ↑ Это когда радиация используется в больницах для получения снимков костей, органов или зубов пациентов, чтобы лучше понять, что происходит внутри тела.

Лучевая терапия : ↑ Использование радиационных волн или пучков частиц для уничтожения нездоровых клеток, таких как раковые, у пациента.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

RD и SL поддерживаются Отделом радиационных исследований Центра исследований рака Великобритании в Лондоне [C7893/А28990]. ST был поддержан грантом программы EPSRC «MITHRAS» [EP/S032789/1]. Авторы хотели бы поблагодарить Z.Butt за ее отличные отзывы во время подготовки рукописи, несмотря на то, что ей всего 9 лет.

---

Каталожные номера

[1] ↑ Сэтчлер, Г. Р. 1990. «Введение в ядерные реакции», в Введение в ядерные реакции , изд. Г. Р. Сэтчлер (Лондон: Palgrave Macmillan). п. 21–88. дои: 10.1007/978-1-349-20531-8_2

[2] ↑ Мейтнер, Л., и Фриш, О.Р. 1939. Продукты деления ядра урана. Природа. 143:471–2. дои: 10.1038/143471a0

[3] ↑ Martinez, NE 2017. Вклад женщин в радиационные науки: краткая история. Здоровье Физ. 112: 376–83. дои: 10.1097/HP.0000000000000646

[4] ↑ Симе, Р. 2002. Лиза Мейтнер: жизнь в физике в 20 веке. Стремление. 26:27–31. дои: 10.1016/S0160-9327(00)01397-1

[5] ↑ Дингл, А. 2017. Мейтнериум в честь. Нац. Химия . 9:830. doi: 10.1038/nchem.2833

---

Сноски

[1] ↑ Для получения дополнительной информации о ядерной физике см. http://nupex.eu/

[2] ↑ Для получения дополнительной информации о Лизе Мейтнер см.: https://www.sciencesmuseum.org.uk/objects-and-stories/women-physics

Наука на расстоянии

Наука на расстоянии Наука на расстоянии

---

Конспект лекций – Часть 2

Конспект лекций – Часть 3

Конспект лекций

проверка

Используйте этот раздел, чтобы проверить точность ваших конспектов лекций. Убедитесь, что вы записали в свои заметки следующие определения, пояснения и важные понятия.

Физическая структура. Часть первая

Атомы

Атом — это наименьшая единица чистого вещества или элемента, которая может существовать и при этом сохранять свойства исходного вещества или элемента.

Ключевые понятия:
• обычные вещества, такие как воздух, вода, дерево и ткань, представляют собой смеси материалов и могут быть химически или физически разложены на более простые вещества.
• чистое или элементарное вещество не может быть разбито на более мелкие или более простые составляющие без потери всех своих первоначальных свойств; такие чистые вещества называются элементами .
• каждый элемент состоит из одинаковых частиц вещества, называемых атомов .
• все атомы в чистом веществе или элементе идентичны друг другу, но отличаются от атомов в другом элементе.
• 92 природных элемента и еще 13 созданных в лаборатории.

Атомы Жизни

Три самых распространенных элемента на Земле — это кислород, кремний и алюминий; в живых организмах наиболее распространены шесть элементов: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера.

Ключевые понятия:
• Уникальные химические свойства всего нескольких атомов определяют форму и функции всех живых существ.
• Физические и химические свойства всех элементов являются результатом возникновения субструктуры их атомов.

Субатомные частицы

Есть три типа субатомных частиц, которые встречаются в атомах всех элементов, кроме одного.

Ключевые понятия:
• протонов — это небольшие положительно заряженные частицы, масса которых по определению составляет одну единицу (одну а.е.м.).
• нейтроны — нейтральные частицы без электрического заряда, также с массой в одну единицу (одну а.е.м.).
• электроны очень маленькие отрицательно заряженные частицы с очень малой массой, которой почти можно пренебречь.

Атомная субструктура

Каждый атом имеет одинаковую субструктуру с плотным положительно заряженным центром (иногда называемым атомным 9ядро 0005 ), окруженное рассеянным, быстро движущимся количеством отрицательно заряженных частиц.

Ключевые понятия: В центре атома всегда находится
• протон.
• нейтронов всегда находится в атомном центре.
• электронов всегда можно найти распределенными в быстро движущихся диффузных облаках или орбиталях определенного объема и формы на различных расстояниях от атомного центра.
• в сбалансированном нейтральном атоме число протонов всегда равно числу электронов.
• Большая часть атома — это пустое пространство.
• Сумма масс всех протонов и нейтронов в атоме называется атомной массой .
• количество протонов в атоме называется атомным номером

Физические свойства атомов

Два важных физических свойства всех атомов зависят от их атомной массы и относительного количества протонов и нейтронов в центре атома.

Ключевые понятия:
• масса или вес атома зависит от количества содержащихся в нем протонов и нейтронов.
• атомы элементов, которые содержат больше протонов и нейтронов, имеют большую общую массу.
• некоторые элементы имеют диапазон или серию атомных масс, в которых число протонов всегда постоянно, а число нейтронов варьируется.
• некоторые из этих устройств нестабильны, и атомы самопроизвольно взрываются и испускают излучение; это радиоактивные формы элемента.

Изотопы

Изотопы — это семейства атомов, которые имеют одинаковый атомный номер, но разные атомные массы.

Ключевые понятия:
• водород — это элемент с тремя изотопами.
• наиболее распространенная форма водорода (обозначается в химических обозначениях как H ) имеет один протон в центре и не содержит нейтронов.
• Другая форма водорода, называемая дейтерием, имеет один протон и один нейтрон.
• третья форма водорода, называемая тритием, имеет один протон и два нейтрона.
• атомная субструктура трития нестабильна и радиоактивна.

Электронные устройства

Электроны заряжены отрицательно и поэтому притягиваются к положительно заряженным протонам в центре атома. Они также отталкиваются отрицательными зарядами других электронов. Электроны содержат фиксированное количество энергии, и этот уровень энергии определяет, насколько близко или далеко они расположены от атомного центра.

Ключевые понятия:
• баланс всех сил содержания энергии и зарядов определяет объем или форму пространства, которое электрон может занять вокруг атомного центра атома.
• электронов находятся в зонах, называемых энергетическими уровнями на все большем расстоянии от центра атома.
• уровень энергии, ближайший к атомному центру, является самым маленьким и самым низким по энергии. Этот уровень занимают электроны с низкой энергией.
• следующий энергетический уровень большей частью находится дальше от атомного центра. Электроны на этом энергетическом уровне содержат больше энергии, чем на первом.
• только два электрона могут одновременно находиться на первом энергетическом уровне.
• только максимум восемь электронов могут одновременно занимать второй энергетический уровень.

Орбиты

Поскольку они диффундируют и перемещаются вокруг ядра, электроны ограничены определенными объемами или формами пространства, называемыми орбиталями .

Ключевые понятия:
• только максимум два электрона могут находиться на любой одной орбитали или занимать ее в любой момент времени.
• самый низкий энергетический уровень имеет только одну орбиталь в форме сферы, называемую орбиталью 1s .
• два электрона — это максимальное количество электронов, одновременно находящихся на этой орбите.
• второй энергетический уровень имеет четыре орбитали.
• орбиталь 2s имеет форму сферы и содержит максимум два электрона.
• есть три 2p-орбитали, которые имеют форму гантели и снова содержат максимум два электрона каждая.

Атомная стабильность

Атомы наиболее стабильны и наименее реактивны, когда их внешний энергетический уровень либо полностью заполнен электронами, либо полностью свободен от электронов.

Ключевые понятия: Водород
• , имеющий только один электрон на первом энергетическом уровне, химически активен.
• гелий с двумя электронами на первом энергетическом уровне инертен и практически не имеет химических или реакционных свойств (первый энергетический уровень не заполнен).
• натрий имеет один электрон на внешнем энергетическом уровне, он очень реактивен.
• У хлора семь электронов на внешнем энергетическом уровне, он тоже очень реактивен.
• Химические свойства элемента очень сильно зависят от числа электронов, которые атомы этого элемента имеют на внешнем энергетическом уровне.

Стабильность I: ионы

Один из способов перехода атома в более стабильное состояние состоит в том, чтобы получать или терять электроны со своего самого внешнего энергетического уровня до тех пор, пока энергетический уровень либо не заполнится, либо не опустеет от электронов.

Ключевые понятия:
• атом водорода может отдать свой один электрон со своего первого энергетического уровня.
• этот энергетический уровень теперь свободен от электронов, и полученная атомная форма более стабильна.
• оставшаяся атомная частица теперь состоит из одного протона с положительным зарядом, который больше не нейтрализуется электроном.
• эта атомная частица теперь называется ион .
• атомы элемента хлора имеют семь электронов на внешнем энергетическом уровне.
• эти атомы хлора легко принимают отданные электроны, чтобы заполнить этот энергетический уровень.
• новая атомная частица теперь имеет дополнительный отрицательно заряженный электрон, который не нейтрализуется протоном в центре атома, но это более стабильное расположение атомов.
• эта атомная частица теперь представляет собой отрицательно заряженный ион хлора.
• ионизация – это термин, используемый для такого обмена электронами и образования положительно или отрицательно заряженных атомных частиц.

Стабильность II: совместное использование

Атомы могут объединяться вместе и обмениваться электронами между собой. Атомы, имеющие общие электроны, связаны друг с другом в форме, называемой молекулой , которая находится в более низком энергетическом состоянии, чем любой из отдельных атомов.

Ключевые понятия:
• когда два атома водорода приближаются друг к другу, их положительно заряженные центры притягиваются к отрицательно заряженным электронным облакам, окружающим противоположный атом.
• на определенном расстоянии друг от друга два крайних энергетических уровня (и орбитали) сливаются вместе и образуют единую сложную молекулярную орбиталь .
• эта новая орбиталь теперь содержит два электрона, по одному от каждого атома в отношениях совместного использования.
• это новое расположение более стабильно, чем первоначальное расположение.
• требуется энергия, чтобы разделить эти атомы, поэтому атомы остаются вместе, как если бы они были связаны энергетическим клеем .
• эти силы, удерживающие атомы вместе, называются ковалентными связями .
• одинарная ковалентная связь удерживает два атома вместе, когда они имеют два общих электрона.

Метан: органическая молекула

Атомы разных элементов могут делиться электронами, образовывать между собой ковалентные связи и создавать сложные молекулы.

Ключевые понятия: У углерода
• всего четыре электрона на внешнем энергетическом уровне.
• углерод может делиться этими четырьмя электронами и получать четыре электрона от других атомов, образуя таким образом четыре ковалентные связи.
• водород имеет только один электрон на внешнем энергетическом уровне.
• водород может разделить этот электрон, образуя одну ковалентную связь.
• один атом углерода и четыре атома водорода могут соединиться.
• каждый атом водорода разделяет два электрона (один от атома водорода, один от атома углерода) с атомом углерода, образуя ковалентную связь.
• Образовавшаяся молекула имеет один атом углерода в центре и четыре атома водорода, прикрепленные к нему четырьмя ковалентными связями.
• это молекула под названием метан .
• молекулы, состоящие из углерода и водорода, соединенных ковалентными связями, часто называют органическими молекулами , потому что они впервые были обнаружены в живых организмах.

Молекула воды

Молекула воды состоит из одного атома кислорода, соединенного с двумя атомами водорода двумя ковалентными связями. Электроны в этих связях не распределяются между атомами поровну. Этот тип ковалентной связи называется полярный .

Ключевые понятия:
• кислород является электроотрицательным элементом .
• электронов плотно прилегают к атому кислорода.
• в совместном устройстве между атомом кислорода и атомом водорода (ковалентная связь) электроны проводят больше времени рядом с атомом кислорода или вокруг него, чем атом водорода.
• атом кислорода приобретает небольшой отрицательный заряд (из-за присутствия дополнительных электронов).
• атомы водорода приобретают небольшой положительный заряд (от оставшегося протона, который не полностью нейтрализуется недостающими электронами).
• молекула воды, таким образом, имеет небольшое, очень слабое распределение электрического заряда; положительный над атомами водорода и отрицательный над атомом кислорода.
• вода представляет собой полярную молекулу .

Особые свойства воды I: жидкость

Полярность молекулы воды придает ей некоторые особые свойства, первое из которых заключается в том, что вода является жидкостью при комнатной температуре.

Ключевые понятия:
• вода представляет собой небольшую молекулу, меньшую, чем молекулярный кислород.
• кислород — это газ при комнатной температуре, тогда как вода — это жидкость.
• вода полярна, со слабым положительным и отрицательным зарядом на водородном и кислородном компонентах молекулы.
• положительный заряд одной молекулы воды притягивает отрицательный заряд соседней молекулы воды, и они ненадолго удерживаются вместе.
• эта крошечная сила притяжения называется водородная связь .
• миллиарды и миллиарды водородных связей образуются и разрываются между молекулами воды каждую секунду.
• сумма всех этих притяжений удерживает молекулы воды ближе друг к другу, чем если бы эти притяжения не образовались.
• Состояние вещества, поглощенного совокупностью молекул воды, является состоянием жидкости, а не газа.
• нагревание молекул воды вызывает увеличение кинетической энергии, увеличение движения и разрыв водородных связей.
• при достаточно высоких температурах вода превращается в газ (пар).

Особые свойства воды II: растворитель

Растворитель – это жидкость, в которой растворяются другие твердые вещества и жидкости. Вода является почти универсальным растворителем, в котором в той или иной степени растворяется большинство других веществ.

Ключевые понятия:
• вода может растворять больше веществ, чем любой другой растворитель.
• a растворенное вещество представляет собой растворенное вещество.
• Степень растворения растворенного вещества в воде зависит от природы и распределения электрических зарядов, которые оно имеет или может развить.
• ионы, которые имеют сильные положительные или отрицательные заряды, легко и быстро растворяются в воде. Электрические заряды молекул растворенного вещества притягиваются к полярным зарядам молекул воды.
• такие вещества называются гидрофильными что означает водолюбивыми .
Молекулы
• , такие как метан и другие подобные молекулы (такие, как обнаруженные в углеводородах — см. ниже), не имеют заряда на своей поверхности и неполярны.
• между водой и этими типами молекул нет притяжения, поэтому они образуют границу на поверхности раздела, в которой молекулы одного типа остаются с одной стороны, а молекулы другого типа — с другой.
• все такие вещества гидрофобны то есть боятся воды

---

Проверьте себя с номером быстрой проверки PS-1030
Конспекты лекций. Часть 2	Конспекты лекций. Часть 3
Физическая структура

---

Наука на расстоянии
© 1997, 1998, 1999, 2000, профессор Джон Блэмайр

This Month in Physics History

«Внутри ужаса Нагасаки и Хиросимы кроется красота Эйнштейна E=mc ² », — заметила писательница Жанетт Уинтерсон в своем романе 1997 года « симметрии кишечника ». Это уравнение действительно лежит в основе термоядерного оружия и ядерной энергии. Британский и ирландский физик Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон соответственно первыми расщепили атом, чтобы подтвердить теорию Эйнштейна.

Кокрофт родился в 1897 году и служил на Западном фронте во время Первой мировой войны. После этого он изучал электротехнику, а затем получил стипендию в Кембриджском университете и в конечном итоге стал студентом-исследователем в Кавендишской лаборатории Эрнеста Резерфорда. Он получил докторскую степень. в 1925 году. Уолтон родился в 1903 году в семье методистского священника в Ирландии и выиграл стипендию в Тринити-колледже в Дублине для изучения математики и естественных наук. После окончания учебы он также пошел работать в лабораторию Кавендиша, защитив докторскую диссертацию. в 1931. Он оставался исследователем еще три года, объединившись с Кокрофтом для экспериментального изучения атомной структуры.

Резерфорд успешно расщепил атомы азота с помощью альфа-частиц в 1919 году, получив важные сведения о структуре атомных ядер. Но для получения дополнительной информации потребуется более мощный поток снарядов. Вместе с Марком Олифантом Резерфорд поручил Кокрофту и Уолтону разработать экспериментальный эквивалент «миллиона вольт в мыльнице». Они построили генератор из запасных частей, дерева и гвоздей, и когда они его закончили, машина была способна на 600 000 вольт. Не совсем миллион вольт, но Кокрофт прочитал основополагающую статью Джорджа Гамова и понял, что квантовое туннелирование позволит им достичь того же эффекта при более низком напряжении. Они начали бомбардировку литиевых и бериллиевых мишеней протонами высокой энергии 19 марта.32.

Национальный музей науки, Лондон

Генератор Кокрофта-Уолтона 

14 апреля 1932 г. Уолтон заметил сигнальную сигнатуру альфа-частиц после бомбардировки литиевой мишени: литий раскололся на два ядра гелия. Кокрофт и Резерфорд подтвердили, что это так. В ту же ночь трое мужчин написали письмо в Nature , сообщая о первом искусственном распаде атомного ядра — расщеплении атома — и первом ядерном превращении одного элемента (лития) в другой (гелий).

В качестве бонуса, когда они измерили общую кинетическую энергию новых ядер гелия, она оказалась больше, чем исходные ядра водорода и лития, с соответствующей потерей общей массы. В результате они также подтвердили уравнение Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии (E=mc ² ).

Группа впоследствии совершила тот же подвиг с атомами углерода, азота и кислорода, используя протоны, дейтроны и альфа-частицы для производства радиоактивных изотопов. За свои усилия они получили 1951 Нобелевская премия по физике. Цитата похвалила их работу как открытие «новой и плодотворной области исследований», которая «глубоко повлияла на весь последующий курс ядерной физики [и] выделяется как веха в истории науки». Высвобождение энергии было слишком постепенным, чтобы иметь большую практическую пользу. Венгерский физик Лео Сцилард предположил, что бомбардировка атомных ядер дополнительными нейтронами сделает атомы нестабильными и вызовет цепную реакцию, высвобождающую энергию гораздо быстрее.

Несмотря на их успех, ускоритель, построенный Кокрофтом и Уолтоном, не был так хорош по конструкции, как циклотрон, разработанный Эрнестом О. Лоуренсом в США. Кокрофт убедил Резерфорда инвестировать в 36-дюймовый циклотрон по проекту Лоуренса для Кавендишской лаборатории. Вскоре он был запущен и запущен, а второй, более крупный циклотрон строился, когда разразилась Вторая мировая война, которая задержала его завершение.

Во время войны Кокрофт исследовал радар, особенно для сбивания вражеских самолетов, и помог ввести в действие радарную систему раннего предупреждения. Он также был назначен в комитет, которому было поручено заниматься вопросами, связанными с технической осуществимостью атомной бомбы.

В 1944 году Кокрофт был назначен директором Монреальской лаборатории, нового тяжеловодного ядерного реактора в Канаде для производства плутония и обогащенного урана. Два года спустя он стал директором Исследовательского центра по атомной энергии (AERE) в Великобритании, курируя строительство различных реакторов. Первый ядерный реактор в Западной Европе был запущен в августе 1947 года в AERE.

В 1950-х годах аналогичная конструкция реактора была реализована на предприятии в Виндскейле на северо-западе Англии для производства расщепляющегося материала для атомного оружия. Кокрофт принял одно особенно спорное решение при строительстве реакторов для производства плутония в Виндскейле: он настоял на том, чтобы дымоходы были оснащены высокоэффективными фильтрами. Было сообщение об обнаружении оксида урана возле графитового реактора X-10 на объекте в Ок-Ридже, штат Теннесси, и Кокрофт хотел предотвратить подобную утечку.

Это была дорогостоящая деталь, так как он принял решение на позднем этапе проектирования, что привело к неравномерной форме дымоходов. И оказалось, что оксид урана в Ок-Ридж поступил с химического завода, а не из реактора. Фильтры окрестили «глупостью Кокрофта», поскольку его коллеги не считали их необходимыми. Но чрезмерная осторожность Кокрофта в конечном итоге окупилась: в 1957 году на заводе в Виндскейле вспыхнул пожар, и загорелся один из реакторов. Благодаря фильтрам никакие радиоактивные материалы не попали в окружающую среду.

В 1959 году Кокрофт стал первым магистром Черчилль-колледжа в Кембридже, который официально открылся в 1964 году. Он умер от сердечного приступа в своем доме в Кембридже в 1967 году. Уолтон вернулся в Ирландию в 1934 году в качестве сотрудника своей альма-матер, Тринити-колледж, работающий, среди прочего, над фосфоресцентным эффектом в очках, радиоуглеродным датированием и осаждением тонкой пленки на стекле. Он умер в 1995 году в возрасте 91 года в Белфасте.

Дополнительная литература:

Кэткарт, Брайан. Муха в соборе . Нью-Йорк: Пингвин, 2005.

Харткап, Гай и Аллибоун, Т.Е. Кокрофт и атом . Bristol: A. Hilger, 1984.

Когда электрон распадается на две части

Лиза Зига, Phys.org

Художественная иллюстрация фракционирования электронов. Когда электрон движется по внешнему одномерному проводу в интерферометре, кулоновское взаимодействие между внешним и внутренним одномерным проводом создает два типа пар возбуждения, как показано здесь: два импульса одного знака (несущие суммарный заряд) и два импульса противоположные знаки (которые вместе являются нейтральными). Поскольку две разные пары возбуждения движутся с разными скоростями, первоначальный электрон в конечном итоге разделяется на два отдельных импульса заряда во внутреннем проводе. Кредит: Freulon, et al. ©2015 Природа

(Phys.org) — Как элементарная частица, электрон не может быть разбит на более мелкие частицы, по крайней мере, насколько известно в настоящее время. Однако в явлении, называемом фракционированием электронов, в некоторых материалах электрон может быть разбит на более мелкие «импульсы заряда», каждый из которых несет часть заряда электрона. Хотя фракционирование электронов имеет много интересных последствий, его происхождение недостаточно изучено.

Теперь в новой статье, опубликованной в Nature Communications , группа физиков во главе с Гвендалем Февом из Высшей нормальной школы в Париже и Лаборатории фотоники и наноструктур в Маркуси применила эксперимент, обычно используемый для изучения фотонов, для исследования основные механизмы фракционирования электронов. Метод позволяет исследователям наблюдать фракционирование одного электрона в пикосекундном масштабе.

«Мы смогли визуализировать расщепление электронного волнового пакета на два фракционированных пакета, несущих половину первоначального заряда электрона», — сказал Фев Phys.org . «Электронное фракционирование изучалось в предыдущих работах, в основном в течение примерно последних пяти лет. Наша работа является первой, в которой одноэлектронное разрешение, которое позволяет нам рассматривать процесс фракционирования в элементарном масштабе, сочетается с временным разрешением для прямой визуализации процесс дробления».

Техника, которую использовали исследователи, называется экспериментом Хонга-Оу-Манделя. Его можно использовать для измерения степени сходства между двумя фотонами или, в данном случае, импульсами заряда электрона в интерферометре. Для этого эксперимента также требуется одноэлектронный эмиттер, который некоторые из тех же исследователей, наряду со многими другими, недавно разрабатывали.

Сначала исследователи проанализировали распространение одиночного электрона во внешнем одномерном проводе интерферометра, а затем, когда этот электрон разделился на части, они смогли наблюдать взаимодействие между двумя импульсами его заряда во внутреннем одномерном проводе. Как объясняют исследователи, когда первоначальный электрон движется по внешнему проводу, кулоновские взаимодействия (взаимодействия между заряженными частицами) между возбуждениями во внешнем и внутреннем проводах создают два типа пар возбуждения: два импульса одного знака (несущие суммарный заряд) и два импульса противоположных знаков (которые вместе являются нейтральными). Две разные пары возбуждения движутся с разными скоростями, опять же из-за кулоновских взаимодействий, которые вызывают расщепление исходного электрона на два отдельных импульса заряда.

(а) Электрон на внешнем канале распадается на два импульса. (b) Модифицированное изображение образца, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Кредит: Freulon, et al. ©2015 Природа

Эксперимент показывает, что когда один электрон распадается на два импульса, конечное состояние нельзя описать как состояние одной частицы, а скорее как коллективное состояние, состоящее из нескольких возбуждений. По этой причине процесс фракционирования разрушает исходную электронную частицу. Разрушение электрона можно измерить по декогерентности волнового пакета электрона.

Лучшее понимание фракционирования электронов может иметь множество последствий для исследований в области физики конденсированных сред, таких как управление одноэлектронными токами в одномерных проводах.

«В последние годы были предприняты большие усилия по контролю и манипулированию распространением электронов в электронных проводниках», — сказал Фев. «Это имеет много аналогий с манипулированием квантовыми состояниями фотонов, выполняемыми в оптике. Для такого управления полезны одномерные проводники, поскольку они дают возможность направлять электроны по одномерной траектории. Однако кулоновские взаимодействия между Электроны также очень сильны в одномерных проводах, настолько сильны, что электроны разрушаются: они фракционируют.Понимание фракционирования – это понимание механизма разрушения элементарного электрона в одномерном проводе. Такое понимание очень важно, если кто-то хочет управлять электронными токи в элементарном масштабе одного электрона».

В будущем исследователи планируют провести дальнейшие эксперименты с интерферометром Хонга-Оу-Манделя, чтобы лучше понять, почему фракционирование приводит к разрушению электронов и, возможно, как подавить фракционирование.

«Интерферометр Хонга-Оу-Манделя можно использовать для изображения временного расширения (или формы) электронных волновых пакетов, что мы использовали для визуализации процесса фракционирования», — сказал Фев. «Его также можно использовать для фиксации фазового соотношения (или фазовой когерентности) между двумя компонентами электронного волнового пакета».0003

“Эта объединенная информация полностью определяет одноэлектронное состояние, предлагая возможность визуализировать волновую функцию отдельных электронов, распространяющихся в одномерном проводнике. Это, во-первых, обеспечит полное понимание механизма фракционирования и, в частности, того, как оно приводит к декогеренция одноэлектронных состояний. Это также дало бы возможность проверить, можно ли защитить отдельные электроны от этой декогеренции, вызванной кулоновским взаимодействием. Можем ли мы подавить (или уменьшить) процесс фракционирования, уменьшив силу кулоновского взаимодействия? Мы тогда можно было бы создавать и визуализировать чистые одноэлектронные состояния, сохранившиеся от кулоновского взаимодействия 9.0003

“Следующим естественным шагом будет рассмотрение состояний с несколькими частицами и запутывания электронов в квантовых проводниках. Опять же, вопрос о разрушении таких состояний эффектами кулоновского взаимодействия будет решающим”.

---

Узнать больше

Электроны движутся подобно свету в трехмерном твердом теле

---

Дополнительная информация: В. Фрейлон и др. «Эксперимент Хонга-Оу-Манделя для временного исследования одноэлектронной фракционирования».