Бозон Хиггса: поэзия элементарных частиц

Автор фото, na

Подпись к фото,

Питер Хиггс присутствовал на торжественном объявлении в ЦЕРН об обнаружении его частицы

Бозон Хиггса, открытый учеными из европейского центра ядерных исследований ЦЕРН в Швейцарии после 45 лет поисков, назван по имени британского физика Питера Хиггса, который одним из первых предсказал его существование.

Но откуда взялось другое слово в этом обозначении – бозон? Оказывается, оно также связано с именем физика и современника Эйнштейна – Шатьендраната Бозе.

Физики всего мира часто давали в прошлом столетии странные и иногда поэтические названия открытым ими элементарным частицам. Вот 10 из них.

1. Бозон Хиггса

Эта частица, если существование ее подтвердится, была предсказана Питером Хиггсом в 1964 году; она объясняет наличие такого явления как масса. Американский физик Леон Ледерман назвал ее также «божественной частицей».

2. Кварк

Фундаментальная частица, из которой состоят протоны и нейтроны, образующие ядро атома.

Автор фото, na

Подпись к фото,

Джеймс Джойс придумал это слово в романе «Поминки по Финнегану»

Этот термин был позаимствован американским физиком Мюрреем Гелл-Манном в 1962 году из романа «Поминки по Финнегану» Джеймса Джойса, где в одном из эпизодов звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!» (обычно переводится как «Три кварка для Мастера Марка!»). Само слово «quark» в этой фразе предположительно является звукоподражанием крику морских птиц. Есть другая версия, выдвинутая Романом Якобсоном, согласно которой Джойс усвоил это слово из немецкого во время своего пребывания в Вене.

3. Адрон

Частица, состоящая из кварков. Это название было предложено советским физиком-теоретиком Львом Окунем в 1962 году. Он писал: «В этой статье я буду называть частицы с сильным взаимодействием адронами – по-гречески слово ἁδρός означает «крупный», «массивный».

Автор фото, na

Подпись к фото,

БАК был введен в строй в 2009 году

В Большом адронном коллайдере (БАК), который расположен в Женеве, адроны разгоняются до околосветовых скоростей и сталкиваются; в результате образуются новые частицы. Именно так были обнаружены следы бозона Хиггса.

4. Бозон

Класс частиц, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и названы в честь индийского физика Шатьендраната Бозе (1894-1974).

5. Фермион

Класс частиц, которые подчиняются статистике Ферми-Дирака. Они обычно ассоциируются с веществом, а не с взаимодействием. Они названы в честь итальянского физика Энрико Ферми (1901-1954), который наряду с Робертом Оппенгеймером считается одним из создателей атомной бомбы.

6. Глюон

Автор фото, na

Подпись к фото,

Физик Гелл-Манн открыл кварки и глюоны

Элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков, а также косвенно ответственные за соединение протонов и нейтронов в атомном ядре. Этот термин происходит от английского слова glue (клей). Он был предложен в 1962 году Мюрреем Гелл-Манном.

7. Нейтрино

Нейтральная элементарная частица, возникающая в результате радиоактивного распада определенных типов, с крайне малой массой. Эта частица была первоначально названа «нейтроном» физиком Вольфгангом Паули (1900-1958) в 1930 году, но спустя три года переименована Энрико Ферми, потому что термин «нейтрон» стал к тому времени употребляться для обозначения нейтральной частицы в атомном ядре.

8. Электрон

Автор фото, na

Подпись к фото,

Энрико Ферми предложил переименовать нейтрон

Стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Термин предложен в 1894 году ирландским физиком Джорджем Дж. Стони (1826-1911). Название «электрон» происходит от греческого слова ἤλεκτρον, означающего «янтарь».

9. Мезон

Составная частица, состоящая из кварка и антикварка. Ее название происходит от греческого слова «мезо», означающего середину. При открытии мезоны считались обладающими массой между массами электрона и нуклеонов, т.е. протонов и нейтроном, составляющих атомное ядро.

10. Мюон

Мюо́н (от греческой буквы μ) — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом. Сначала считалась определенным типом мезона (мю-мезон), но затем была переименована. Ученые ЦЕРНа обнаружили частицу, похожую на бозон Хиггса, используя компактный мюоновый соленоид, который измеряет энергию и скорость вращения мюонов, фотонов, электронов и других частиц, образующихся при столкновении адронов в БАК.

КИСЛОРОД | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

КИСЛОРОД, O (oxygenium), химический элемент VIA подгруппы периодической системы элементов: O, S, Se, Te, Po – член семейства халькогенов. Это наиболее распространенный в природе элемент, его содержание составляет в атмосфере Земли 21% (об.), в земной коре в виде соединений ок. 50% (масс.) и в гидросфере 88,8% (масс.).

Кислород необходим для существования жизни на земле: животные и растения потребляют кислород в процессе дыхания, а растения выделяют кислород в процессе фотосинтеза. Живая материя содержит связанный кислород не только в составе жидкостей организма (в клетках крови и др.), но и в составе углеводов (сахар, целлюлоза, крахмал, гликоген), жиров и белков. Глины, горные породы состоят из силикатов и других кислородсодержащих неорганических соединений, таких, как оксиды, гидроксиды, карбонаты, сульфаты и нитраты.

Историческая справка.

Первые сведения о кислороде стали известны в Европе из китайских рукописей 8 в. В начале 16 в. Леонардо да Винчи опубликовал данные, связанные с химией кислорода, не зная еще, что кислород – элемент. Реакции присоединения кислорода описаны в научных трудах С.Гейлса (1731) и П.Байена (1774). Заслуживают особого внимания исследования К.Шееле в 1771–1773 взаимодействия металлов и фосфора с кислородом. Дж.Пристли сообщил об открытии кислорода как элемента в 1774, спустя несколько месяцев после сообщения Байена о реакциях с воздухом. Название oxygenium («кислород») дано этому элементу вскоре после его открытия Пристли и происходит от греческих слов, обозначающих «рождающий кислоту»; это связано с ошибочным представлением о том, что кислород присутствует во всех кислотах. Объяснение роли кислорода в процессах дыхания и горения, однако, принадлежит А.Лавуазье (1777).

Строение атома.

Любой природный атом кислорода содержит 8 протонов в ядре, но число нейтронов может быть равно 8, 9 или 10. Наиболее распространенный из трех изотопов кислорода (99,76%) – это 168O (8 протонов и 8 нейтронов). Содержание другого изотопа, 188O (8 протонов и 10 нейтронов), составляет всего 0,2%. Этот изотоп используется как метка или для идентификации некоторых молекул, а также для проведения биохимических и медико-химических исследований (метод изучения нерадиоактивных следов). Третий нерадиоактивный изотоп кислорода

178O (0,04%) содержит 9 нейтронов и имеет массовое число 17. После того как в 1961 масса изотопа углерода 126C была принята Международной комиссией за стандартную атомную массу, средневзвешенная атомная масса кислорода стала равна 15,9994. До 1961 стандартной единицей атомной массы химики считали атомную массу кислорода, принятую для смеси трех природных изотопов кислорода равной 16,000. Физики за стандартную единицу атомной массы принимали массовое число изотопа кислорода 168O, поэтому по физической шкале средняя атомная масса кислорода составляла 16,0044 (см.
также
АТОМНАЯ МАССА).

В атоме кислорода 8 электронов, при этом 2 электрона находятся на внутреннем уровне, а 6 электронов – на внешнем. Поэтому в химических реакциях кислород может принимать от доноров до двух электронов, достраивая свою внешнюю оболочку до 8 электронов и образуя избыточный отрицательный заряд (см. также АТОМА СТРОЕНИЕ).

Молекулярный кислород.

Как большинство других элементов, у атомов которых для достройки внешней оболочки из 8 электронов не хватает 1–2 электронов, кислород образует двухатомную молекулу. В этом процессе выделяется много энергии (~490 кДж/моль) и соответственно столько же энергии необходимо затратить для обратного процесса диссоциации молекулы на атомы. Прочность связи O–O настолько высока, что при 2300° С только 1% молекул кислорода диссоциирует на атомы. (Примечательно, что при образовании молекулы азота N

2 прочность связи N–N еще выше, ~710 кДж/моль.)

Электронная структура.

В электронной структуре молекулы кислорода не реализуется, как можно было ожидать, распределение электронов октетом вокруг каждого атома, а имеются неспаренные электроны, и кислород проявляет свойства, типичные для такого строения (например, взаимодействует с магнитным полем, являясь парамагнетиком).

Реакции.

В соответствующих условиях молекулярный кислород реагирует практически с любым элементом, кроме благородных газов. Однако при комнатных условиях только наиболее активные элементы реагируют с кислородом достаточно быстро. Вероятно, большинство реакций протекает только после диссоциации кислорода на атомы, а диссоциация происходит лишь при очень высоких температурах. Однако катализаторы или другие вещества в реагирующей системе могут способствовать диссоциации O

2. Известно, что щелочные (Li, Na, K) и щелочноземельные (Ca, Sr, Ba) металлы реагируют с молекулярным кислородом с образованием пероксидов:

Получение и применение.

Благодаря наличию свободного кислорода в атмосфере наиболее эффективным методом его извлечения является сжижение воздуха, из которого удаляют примеси, CO2, пыль и т. д. химическими и физическими методами. Циклический процесс включает сжатие, охлаждение и расширение, что и приводит к сжижению воздуха. При медленном подъеме температуры (метод фракционной дистилляции) из жидкого воздуха испаряются сначала благородные газы (наиболее трудно сжижаемые), затем азот и остается жидкий кислород. В результате жидкий кислород содержит следы благородных газов и относительно большой процент азота. Для многих областей применения эти примеси не мешают. Однако для получения кислорода особой чистоты процесс дистилляции необходимо повторять. Кислород хранят в танках и баллонах. Он используется в больших количествах как окислитель керосина и других горючих в ракетах и космических аппаратах. Сталелитейная промышленность потребляет газообразный кислород для продувки через расплав чугуна по методу Бессемера для быстрого и эффективного удаления примесей C, S и P. Сталь при кислородном дутье получается быстрее и качественнее, чем при воздушном. Кислород используется также для сварки и резки металлов (кислородно-ацетиленовое пламя). Применяют кислород и в медицине, например, для обогащения дыхательной среды пациентов с затрудненном дыханием. Кислород можно получать различными химическими методами, и некоторые из них применяют для получения малых количеств чистого кислорода в лабораторной практике.

Электролиз.

Один из методов получения кислорода – электролиз воды, содержащей небольшие добавки NaOH или H

2SO4 в качестве катализатора: 2H2O ® 2H2 + O2. При этом образуются небольшие примеси водорода. С помощью разрядного устройства следы водорода в газовой смеси вновь превращают в воду, пары которой удаляют вымораживанием или адсорбцией.

Термическая диссоциация.

Важный лабораторный метод получения кислорода, предложенный Дж.Пристли, заключается в термическом разложении оксидов тяжелых металлов: 2HgO ® 2Hg + O2. Пристли для этого фокусировал солнечные лучи на порошок оксида ртути. Известным лабораторным методом является также термическая диссоциация оксосолей, например хлората калия в присутствии катализатора – диоксида марганца:

Диоксид марганца, добавляемый в небольших количествах перед прокаливанием, позволяет поддерживать требуемую температуру и скорость диссоциации, причем сам MnO2 в процессе не изменяется.

Используются также способы термического разложения нитратов:

а также пероксидов некоторых активных металлов, например:

2BaO2® 2BaO + O2

Последний способ одно время широко использовался для извлечения кислорода из атмосферы и заключался в нагревании BaO на воздухе до образования BaO2 с последующим термическим разложением пероксида. Способ термического разложения сохраняет свое значение для получения пероксида водорода.

НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОРОДА
НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОРОДА
Атомный номер 8
Атомная масса 15,9994
Температура плавления, °С –218,4
Температура кипения, °С –183,0
Плотность  
твердый, г/см3 (при tпл) 1,27
жидкий г/см3 (при tкип) 1,14
газообразный, г/дм3 (при 0° С) 1,429
относительная по воздуху 1,105
критическаяа, г/см3 0,430
Критическая температураа, °С –118,8
Критическое давлениеа, атм 49,7
Растворимость, см3/100 мл растворителя  
в воде (0° С) 4,89
в воде (100° С) 1,7
в спирте (25° С) 2,78
Радиус, Å 0,74
ковалентный 0,66
ионный (О2–) 1,40
Потенциал ионизации, В  
первый 13,614
второй 35,146
Электроотрицательность (F = 4) 3,5
а Температура и давление, при которых плотность газа и жидкости одинаковы.

Физические свойства.

Кислород при нормальных условиях – бесцветный газ без запаха и вкуса. Жидкий кислород имеет бледно-голубой цвет. Твердый кислород существует по крайней мере в трех кристаллических модификациях. Газообразный кислород растворим в воде и, вероятно, образует непрочные соединения типа O2ЧH2O, а возможно, и O2Ч2H2O.

Химические свойства.

Как уже упоминалось, химическая активность кислорода определяется его способностью диссоциировать на атомы O, которые и отличаются высокой реакционной способностью. Только наиболее активные металлы и минералы реагируют с O2 c высокой скоростью при низких температурах. Наиболее активные щелочные (IA подгруппы) и некоторые щелочноземельные (IIA подгруппы) металлы образуют с O2 пероксиды типа NaO2 и BaO2. Другие же элементы и соединения реагируют только с продуктом диссоциации O2. В подходящих условиях все элементы, исключая благородные газы и металлы Pt, Ag, Au, реагируют с кислородом. Эти металлы тоже образуют оксиды, но при особых условиях.

Электронная структура кислорода (1s22s22p4) такова, что атом O принимает для образования устойчивой внешней электронной оболочки два электрона на внешний уровень, образуя ион O2–. В оксидах щелочных металлов образуется преимущественно ионная связь. Можно полагать, что электроны этих металлов практически целиком оттянуты к кислороду. В оксидах менее активных металлов и неметаллов переход электронов неполный, и плотность отрицательного заряда на кислороде менее выражена, поэтому связь менее ионная или более ковалентная.

При окислении металлов кислородом происходит выделение тепла, величина которого коррелирует с прочностью связи M–O. При окислении некоторых неметаллов происходит поглощение тепла, что свидетельствует об их менее прочных связях с кислородом. Такие оксиды термически неустойчивы (или менее стабильны, чем оксиды с ионной связью) и часто отличаются высокой химической активностью. В таблице приведены для сравнения значения энтальпий образования оксидов наиболее типичных металлов, переходных металлов и неметаллов, элементов A- и B-подгрупп (знак минус означает выделение тепла).

Реакции Энтальпии образования, кДж/моль
4Na + O2 ® 2Na2Oa –208
2Mg + O2 ® 2MgO –297
4Al + 3O2 ® 2Al2O3 –273
Si + O2 ® SiO2 –215
4P + 5O2 ® P4O10 –151
S + O2 ® SO2 –74
2Cl2 + 7O2 ® 2Cl2O7 +19
2Hg + O2 ® 2HgO –45
2Cr + 3O2 ® 2CrO3 –97
3Fe + 2O2 ® Fe3O4 –140
a При нормальных условиях предпочтительнее образование Na2O2.

О свойствах оксидов можно сделать несколько общих выводов:

1. Температуры плавления оксидов щелочных металлов уменьшаются с ростом атомного радиуса металла; так, tпл (Cs2O) tпл (Na2O). Оксиды, в которых преобладает ионная связь, имеют более высокие температуры плавления, чем температуры плавления ковалентных оксидов: tпл (Na2O) > tпл (SO2).

2. Оксиды химически активных металлов (IA–IIIA подгрупп) более термически стабильны, чем оксиды переходных металлов и неметаллов. Оксиды тяжелых металлов в высшей степени окисления при термической диссоциации образуют оксиды с более низкими степенями окисления (например, 2Hg2+O ® (Hg+)2O + 0,5O2® 2Hg0 + O2). Такие оксиды в высоких степенях окисления могут быть хорошими окислителями.

3. Наиболее активные металлы взаимодействуют с молекулярным кислородом при повышенных температурах с образованием пероксидов:

Sr + O2® SrO2.

4. Оксиды активных металлов образуют бесцветные растворы, тогда как оксиды большинства переходных металлов окрашены и практически нерастворимы. Водные растворы оксидов металлов проявляют основные свойства и являются гидроксидами, содержащими OH-группы, а оксиды неметаллов в водных растворах образуют кислоты, содержащие ион H+.

5. Металлы и неметаллы A-подгрупп образуют оксиды со степенью окисления, соответствующей номеру группы, например, Na, Be и B образуют Na12O, BeIIO и B2IIIO3, а неметаллы IVA–VIIA подгрупп C, N, S, Cl образуют CIVO2, NV2O5, SVIO3, ClVII2O7. Номер группы элемента коррелирует только с максимальной степенью окисления, так как возможны оксиды и с более низкими степенями окисления элементов. В процессах горения соединений типичными продуктами являются оксиды, например:

2H2S + 3O2® 2SO2 + 2H2O

Углеродсодержащие вещества и углеводороды при слабом нагревании окисляются (сгорают) до CO2 и H2O. Примерами таких веществ являются топлива – древесина, нефть, спирты (а также углерод – каменный уголь, кокс и древесный уголь). Тепло от процесса горения утилизируется на производство пара (а далее электричества или идет на силовые установки), а также на отопление домов. Типичные уравнения для процессов горения таковы:

а) древесина (целлюлоза):

(C6H10O5)n + 6nO2® 6nCO2 + 5nH2O + тепловая энергия

б) нефть или газ (бензин C8H18 или природный газ CH4):

2C8H18 + 25O2® 16CO2 + 18H2O + тепловая энергия

CH4 + 2O2® CO2 + 2H2O + тепловая энергия

в) спирт:

C2H5OH + 3O2® 2CO2 + 3H2O + тепловая энергия

г) углерод (каменный или древесный уголь, кокс):

2C + O2® 2CO + тепловая энергия

2CO + O2® 2CO2 + тепловая энергия

Горению подвержены также ряд C-, H-, N-, O-содержащих соединений с высоким запасом энергии. Кислород для окисления может использоваться не только из атмосферы (как в предыдущих реакциях), но и из самого вещества. Для инициирования реакции достаточно небольшого активирования реакции, например удара или встряски. При этих реакциях продуктами горения также являются оксиды, но все они газообразны и быстро расширяются при высокой конечной температуре процесса. Поэтому такие вещества являются взрывчатыми. Примерами взрывчатых веществ служат тринитроглицерин (или нитроглицерин) C3H5(NO3)3 и тринитротолуол (или ТНТ) C7H5(NO2)3. См. также ХИМИЧЕСКОЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОРУЖИЕ.

Оксиды металлов или неметаллов с низшими степенями окисления элемента реагируют с кислородом с образованием оксидов высоких степеней окисления этого элемента:

Оксиды природные, полученные из руд или синтезированные, служат сырьем для получения многих важных металлов, например, железа из Fe2O3 (гематит) и Fe3O4 (магнетит), алюминия из Al2O3 (глинозем), магния из MgO (магнезия). Оксиды легких металлов используются в химической промышленности для получения щелочей или оснований. Пероксид калия KO2 находит необычное применение, так как в присутствии влаги и в результате реакции с ней выделяет кислород. Поэтому KO2 применяют в респираторах для получения кислорода. Влага из выдыхаемого воздуха выделяет в респираторе кислород, а KOH поглощает CO2. Получение оксида CaO и гидроксида кальция Ca(OH)2 – многотоннажное производство в технологии керамики и цемента.

Вода (оксид водорода).

Важность воды H2O как в лабораторной практике для химических реакций, так и в процессах жизнедеятельности требует особого рассмотрения этого вещества (см. также ВОДОРОД; ВОДА, ЛЕД И ПАР). Как уже упоминалось, при прямом взаимодействии кислорода и водорода в условиях, например, искрового разряда происходят взрыв и образование воды, при этом выделяется 143 кДж/(моль H2O).

Молекула воды имеет почти тетраэдрическое строение, угол H–O–H равен 104°30ў. Связи в молекуле частично ионные (30%) и частично ковалентные с высокой плотностью отрицательного заряда у кислорода и соответственно положительных зарядов у водорода:

Из-за высокой прочности связей H–O водород с трудом отщепляется от кислорода и вода проявляет очень слабые кислотные свойства. Многие свойства воды определяются распределением зарядов. Например, молекула воды образует с ионом металла гидрат:

Одну электронную пару вода отдает акцептору, которым может быть H+:

Молекулы воды связываются друг с другом в большие агрегаты (H2O)x слабыми водородными связями (энергия связи ~21 кДж)

Вода в такой системе водородных связей подвергается диссоциации в очень слабой степени, достигающей концентрации 10–7 моль/л. Очевидно, расщепление связи, показанное квадратными скобками, приводит к образованию гидроксид-иона OH и иона гидроксония H3O+:

Пероксид водорода.

Другим соединением, состоящим только из водорода и кислорода, является пероксид водорода H2O2. Название «пероксид» принято для соединений, содержащих связь –O–O–. Пероксид водорода имеет строение асимметрично изогнутой цепи:

Пероксид водорода получают по реакции пероксида металла с кислотой

BaO2 + H2SO4® BaSO4 + H2O2

либо разложением пероксодисерной кислоты H2S2O8, которую получают электролитически:

Концентрированный раствор H2O2 может быть получен специальными методами дистилляции. Пероксид водорода используют как окислитель в двигателях ракет. Разбавленные растворы пероксида служат антисептиками, отбеливателями и мягкими окислителями. H2O2 добавляют ко многим кислотам и оксидам для получения соединений, аналогичных гидратам. В присутствии сильного окислителя (например, MnO2 или MnO4) H2O2 окисляется, выделяя кислород и воду.

Оксоанионы и оксокатионы

– кислородсодержащие частицы, имеющие остаточный отрицательный (оксоанионы) или остаточный положительный (оксокатионы) заряд. Ион O2– имеет высокое сродство (высокую реакционную способность) к положительно заряженным частицам типа H+. Простейшим представителем стабильных оксоанионов является гидроксид-ион OH. Это объясняет неустойчивость атомов с высокой зарядовой плотностью и их частичную стабилизацию в результате присоединения частицы с положительным зарядом. Поэтому при действии активного металла (или его оксида) на воду образуется OH, а не O2–:

2Na + 2H2O ® 2Na+ + 2OH + H2

или

Na2O + H2O ® 2Na+ + 2OH

Более сложные оксоанионы образуются из кислорода с ионом металла или неметаллической частицей, имеющей большой положительный заряд, в результате получается низкозаряженная частица, обладающая большей стабильностью, например:

Озон.

Кроме атомарного кислорода O и двухатомной молекулы O2 существует третья форма кислорода – озон O3, содержащий три кислородных атома. Все три формы являются аллотропными модификациями. Озон образуется при пропускании тихого электрического разряда через сухой кислород: 3O2 2O3.

При этом образуется несколько процентов озона. Реакция катализируется ионами металлов. Озон имеет острый резкий запах, который можно обнаружить вблизи работающих электрических машин или в окрестности атмосферного электрического разряда. Газ имеет голубоватый цвет и конденсируется при –112° С в темноголубую жидкость, а при –193° С образуется темнопурпуровая твердая фаза. Жидкий озон слаборастворим в жидком кислороде, а в 100 г воды при 0° С растворяется 49 см3 O3. По химическим свойствам озон намного активнее кислорода и по окислительным свойствам уступает только O, F2 и OF2 (дифториду кислорода). При обычном окислении образуются оксид и молекулярный кислород O2. При действии озона на активные металлы в особых условиях образуются озониды состава K+O3. Озон получают в промышленности для специальных целей, он является хорошим дезинфицирующим средством и используется для очистки воды и как отбеливатель, улучшает состояние атмосферы в закрытых системах, дезинфицирует предметы и пищу, ускоряет созревание зерна и фруктов. В химической лаборатории часто используют озонатор для получения озона, необходимого для некоторых методов химического анализа и синтеза. Каучук легко разрушается даже под действием малых концентраций озона. В некоторых промышленных городах значительная концентрация озона в воздухе приводит к быстрой порче резиновых изделий, если они не защищены антиоксидантами. Озон очень токсичен. Постоянное вдыхание воздуха даже с очень низкими концентрациями озона вызывает головную боль, тошноту и другие неприятные состояния.

Ядро — Справочник химика 21

    Поскольку протон — единственная положительно заряженная частица, обнаруженная в ядре, то порядковый номер элемента равен числу протонов ядра. В ядре алюминия, порядковый номер которого 13, должно содержаться 13 протонов, но так как его атомная масса равна 27, то в его ядре, как было установлено позднее, должно содержаться еще 14 нейтронов. Нейтроны изменяют массу ядра, но не влияют на его заряд. В ядре атома натрия, порядковый номер которого 11, атомная масса 23, должно сод жаться 11 протонов и 12 нейтронов. (И протоны, и нейтроны находятся в ядре, поэтому их называют нуклонами . ) [c.157]
    Различные изотопы данного элемента имеют одинаковые заряды ядер, но разные массовые числа. Следовательно, в ядрах различных изотопов содержится одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. У неона-20, неона-21 и неона-22 по 10 протонов в ядре, порядковый номер всех этих изотопов 10, и электроны распределены по оболочкам так 2, 8. Однако в ядре неона-20 содержится 10 протонов плюс 10 нейтронов, в ядре неона-21 —10 протонов плюс 11 нейтронов, а в ядре неона-22—10 протонов плюс [c.168]

    Лоран отказался от всякого подчеркивания влияния электрических сил. Он полагал, что органическая молекула имеет ядро (которое может представлять собой одиночный атом), к которому присоединяются различные радикалы. Органические молекулы можно сгруппировать в семейства или типы (отсюда теория типов) [c.79]

    Величина заряда ядра получила название порядкового номера элемента, или атомного номера. Сразу же стало понятно, что, располагая элементы в порядке увеличения атомной массы, Менделеев по сути дела расположил элементы в порядке возрастания их атомных номеров. О тех двух случаях, когда он поместил атомы с большей массой впереди атомов с меньшей массой (см. гл. 8), поскольку эти атомы с меньшей массой тем не менее имеют больший порядковый номер, мы будем говорить особо. [c.156]

    Английский физик (уроженец Новой Зеландии) Эрнест Резерфорд (1871—1937) решил, наконец, признать, что единица положительного заряда принципиально отличается от электрона — единицы отрицательного заряда. В 1914 г. Резерфорд предложил принять в качестве основной единицы положительного заряда частицу положительно заряженных лучей с наименьшей массой, равной массе атома водорода. Когда, уже позднее, Резерфорд занялся изучением ядерных реакций (см. гл. 14), он сам неоднократно получал частицы, идентичные ядру водорода, что окончательно убедило его в правильности такой точки зрения. В 1920 г. Резерфорд предложил назвать эту основную положительно заряженную частицу протоном. [c.151]

    В формулах (134), (136), (138) п (139) физические свойства жидкости берутся при средней температуре ядра потока. [c.152]

    Молекулы соединений одного типа должны иметь сходные ядра. К этим ядрам могут присоединяться любые из радикалов, образующих ряд подобных радикалов. Отдельные типы молекул можно распространить и на неорганические соединения. [c.79]

    В соответствии с представлениями этой теории в молекуле воды (Н О) к центральному атому кислорода — ядру присоединены два атома водорода. Замещая один из атомов водорода на радикалы какого-либо ряда, можно получить группу соединений, в число которых входят и вода, и различные органические соединения. [c.79]

    Несколько ранее, в 1848 г., французский химик Шарль Адольф Вюрц (1817—1884), изучавший группу соединений, связанных с аммиаком и потому названных аминами, показал, что у соединений этого типа ядром служит атом азота. В аммиаке атом азота связан с тремя атомами водорода, в аминах один или несколько атомов водорода замещены на органические радикалы. [c.80]

    Во внешних областях атома находятся отрицательно заряженные электроны, масса которых слишком мала, чтобы они могли мешать прохождению альфа-частиц. Хотя массы протона и альфа-частицы сравнимы с массой атома, и протон, и альфа-частицы — это голые атомные ядра. Они занимают такое маленькое пространство по сравнению с атомами, что, несмотря на большую массу, их также можно считать субатомными частицами. [c.155]

    Глава 13 Атомное ядро [c.146]

    Пытаясь обнаружить этот более тяжелый изотоп водорода, Юри начал медленно выпаривать четыре литра жидкого водорода. И в последнем кубическом сантиметре водорода Юри действительно нашел несомненные признаки присутствия водорода-2 — изотопа, ядро которого содержит один протон и один нейтрон. Водород-2 был назван дейтерием. [c.169]

    Еще в 1920 г. Чедвик экспериментально доказал равенство заряда ядра па-рядковому номеру элемента.— Прим. перев. [c.154]

    Развивая теорию строения атома, Резерфорд пришел к выводу, что в центре атома имеется очень маленькое ядро, которое заряжено положительно и содержит все протоны (и все нейтроны, как позднее выяснилось). Атомное ядро должно быть очень небольшим (поскольку лишь очень малая часть альфа-частиц отклоняется, сталкиваясь с мишенью), но в этом ядре должна быть сосредоточена практически вся масса атома. [c.155]

    Большинство элементов (но не все) содержат изотопы. В 1935 г. американский физик Артур Джеффри Демпстер (1886—1950) установил, например, что природный уран, атомная масса которого (238,07) весьма близка целому числу, представляет собой смесь двух изотопов. Один из изотопов содержится в преобладающем (99,3%) количестве. Ядра этого изотопа состоят из 92 протонов и 146 нейтронов, т. е. общее массовое число равно 238. Это уран-238. Содержание другого изотопа, урана-235, составляет всего 0,7% в ядре этого изотопа на три нейтрона меньше. [c.168]

    В нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Это означает, что каждому протону в ядре соответствует электрон, расположенный на периферии атома. Следовательно, число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру. Так, в атоме водорода всего 1 электрон, в атоме натрия их И, в атоме урана 92 и т. д.  [c.157]

    С открытием ядра атома вновь встал вопрос о неделимости атома. Ядро — сердце атома, оно окружено и защищено облаком электронов, и никакие химические превращения его не затрагивают. Именно эта неизменность ядра была причиной того, что все полученные до 90-х годов XIX в. экспериментальные данные говорили о неделимости атома. [c.155]

    На этом этапе, наконец, стало возможным заменить определение элемента, данное Бойлем. Согласно Бойлю, элемент — это вещество, которое нельзя разложить на более простые вещества, новое определение элемента звучит так элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. [c.156]

    Первый шаг в этом направлении был сделан Резерфордом он бомбардировал различные газы альфа-частицами и обнаружил, что каждый раз, когда альфа-частица ударяет в ядро атома, она нарушает его структуру (рис. 23). [c.170]

    Изотопы, занимающие одно и то же место таблицы, должны иметь один и тот же порядковый номер и, следовательно, одно и то же число протонов в ядре и одно и то же число электронов на оболочках. Изотопы элемента должны обладать одинаковыми химическими свойствами, так как эти свойства зависят от числа и расположения в атомах электронов. [c.166]

    Кропотливое и тщательное изучение рентгеновских лучей показало, что и обобществление, и перераспределение электронов подчиняется какому-то определенному порядку, и в результате была выдвинута следующая гипотеза. Окружающие ядро атома электроны подразделяются на определенные группы и образуют так называемые электронные оболочки. Ближайшая к ядру атома оболочка получила название К-оболочка, а последующие оболочки были названы соответственно Ь-оболочка, М-оболочка, М-оболочка [c.157]

    Все подобные химические изменения затрагивают только электроны протоны центрального ядра во всех случаях (кроме одного) надежно защищены. Исключение составляет лишь водород, ядро которого состоит из одного протона. Если атом водорода ионизуется в результате удаления единственного его электрона, то протон остается незащищенным. [c.160]

    Если атом теряет бета-частицу (электрон с зарядом —1), то ядро приобретает дополнительный положительный заряд и элемент» [c.165]

    Во времена Содди считали, что в ядре имеются электроны и потеря ядром ета-частицы оставляет неуравновешенным дополнительный протон и, следователь., [c.165]

    В 1919 г. Резерфорд уже смог показать, что альфа-частицы могут выбивать протоны из ядер азота и объединяться с тем, что останется от ядра. Наиболее распространенным изотопом азота является азот-14, в ядре которого содержится 7 протонов и 7 нейтронов. Если из этого ядра выбить протон и добавить 2 протона и 2 нейтрона альфа-частицы, то получится ядро с 8 протонами и 9 нейтронами, т. е. ядро кислорода-17. Альфа-частицу можно рассматривать как гелий-4, а протон — как водород-1. Таким образом, Резерфорд первым успешно провел искусственную ядерную реакцию  [c.170]

    Поскольку радиоактивные свойства зависят от строения атомного ядра, а не от электронного окружения, изотопы одного элемента могут иметь похожие химические свойства и совершенно различную радиоактивность. В то время как период полураспада урана-238 равен 4 500 ООО ООО лет, период полураспада урана-235 [c.168]

    Но, согласно новым представлениям о строении атома, атом имеет ядро, состоящее из протонов (и нейтронов). Протоны и нейтроны примерно равны по массе, и, следовательно, массы всех атомов должны быть кратными массе атома водорода (состоящего из одного протона). Гипотеза Праута возродилась, зато вновь возникли сомнения относительно того, какими должны быть атомные массы. [c.167]

    В действительности масса атома не совсем кратна массе атома водорода. Небольшие отклонения в массе не имеют значения для химии, но имеют отношение к той огромной энергии, заключенной в ядрах, которая позволила создать атомную бомбу и перейти к атомной энергетике (см. гл, 11), [c.167]

    Вначале бомбардировка атомных ядер велась положительно заряженными частицами протонами, дейтронами и альфа-частицами. Поскольку одноименно заряженные частицы отталкиваются, то положительно заряженные ядра атомов отталкивают положительно заряженные частицы, и заставить движущиеся с большей скоростью частицы преодолеть отталкивание и столкнуться с ядром, весьма сложно, так что ядерные реакции трудно осуществимы. [c.174]

    Человек научился с помощью обычных химических реакций по своему усмотрению перестраивать молекулы. Почему бы не попытаться перестраивать ядра атомов, используя ядерные реакции Протоны и нейтроны связаны гораздо прочнее, чем атомы в молекуле, и обычные методы, используемые для проведения обычных химических реакций, естественно, к успеху не приведут. Но ведь можно попытаться разработать новые методы. [c.170]

    Антиэлектрон был обнаружен в 1932 г. американским физиком Карлом Дэвидом Андерсоном (род. в 1905 г.) во время исследования космических лучей . Когда космические лучи сталкиваются с ядрами атомов в атмосфере, то при этом образуются частицы, которые отклоняются в магнитном поле на такой же угол, что и электроны, но в противоположном направлении. Частицы такого рода Андерсон назвал позитронами. [c.172]

    Было установлено, что могут существовать такие своеобразные атомы, у которых отрицательно заряженные ядра, содержащие антипротоны, окружены положительно заряженными позитронами. Естественно, что такое антивещество не может долго существовать ни на Земле, ни, вероятно, даже в пределах нашей Галактики, поскольку при контакте вещества с антивеществом они аннигилируют (уничтожаются), высвобождая огромное количество энергии. И все-таки астрономы задаются вопросом, не могут ли существовать Галактики, построенные из антивещества Если такое возможно, то обнаружить такие Галактики будет очень трудно, [c.172]

    Решить эту задачу смог опять-таки Кекуле, В один из дней 1865 г. (как он сам рассказывает) Кекуле в полудреме ехал в омнибусе, и ему пригрезилось, что он видит атомы, кружаш,иеся в танце. Вдруг конец одной цепи соединился с ее началом, и образовалось вращающееся кольцо. И Кекуле решил, что именно такой должна быть структурная формула бензола. До тех пор структурные формулы строились только в виде линейных цепей углеродных атомов, но теперь Кекуле ввел понятие кольцо (нли ядро ) атомов углерода и предложил следующую структурную формулу бензола  [c.85]

    Английский физик Чарльз Гловер Баркла (1877—1944) сделал следующий важный шаг. Он установил, что при рассеивании рентгеновских лучей различными элементами образуются пучки рентгеновских лучей, которые проникают в вещество на характеристические величины. Каждый элемент создает особый набор рентгеновских лучей. В трубке Крукса источником таких рентгеновских лучей становился под действием пучка катодных лучей антикатод (который изготавливали из различных металлов). Другой английский физик, Генри Гвин Джефрис Мозли (1887—1915), используя в качестве антикатода различные элементы, в 1913 г. установил, что чем больше атомная масса элемента, тем меньше длина волны образующихся рентгеновских лучей. Эта обратная зависимость, доказывал Мозли, связана с величиной положительного заряда ядра атома. Чем больше заряд, тем короче длина волны рентгеновских лучей. [c.156]

    Исходя из длины волны, можно вычислить заряд ядра атома любого элемента. Таким образом в итоге удалось показать, что згряд ядра водорода равен +1, гелия +2, лития +3 и так далее вплоть до урана , заряд ядра которого равен +92. [c.156]

    И Т. Д. Согласно этой гипотезе, на ближайшей к ядру оболочке могут располагаться только два электрона, на следующей L-обо-лочке — восемь, на М-оболочке — восемнадцать и т. д., т. е. чем дальше оболочка удалена от ядра, тем больше электронов на ней может располагаться. Например, три электрона атома лития, одиннадцать электронов атома натрия и девятнадцать электронов атома калия распределяются по электронным оболочкам в следующем порядке Li 2, 1 Na 2, 8, I К 2, 8, 8, 1. [c.158]

    Тем временем Содди продолжал описывать изменения атома, вызываемые отдачей им субатомных частиц. Если атом теряет альфа-частицу (заряд +2), общий заряд его ядра уменьшается на два н элемент перемещается в периодической таблице на две клетки влеьо. [c.165]

    Существовали теоретические предпосылки, позволяющие предположить, что и водород — простейший из элементов — также может иметь пару изотопов. Ядра обычных атомов водорода состоят из одного протона, т. е. обычный водород — это водород-1. В 1931 г. американский химик Гарольд Клэйтон Юри (1893—1980) предположил, что более тяжелый изотоп водорода, если он существует, должен кипеть при более высокой температуре, испаряться более медленно, накапливаясь в остатке.[c.169]

    Не составил исключения и кислород. В 1929 г. американскому химику Уильямсу Фрэнсису Джиоку (род. в 1895 г.) удалось показать, что кислород имеет три изотопа. Наиболее распространен кислород-16, на его долю приходится около 99,8% всех атомов. В ядре кислорода-16 8 протонов и 8 нейтронов. В ядре кислорода-18, второго по распространенности изотопа, 8 протонов и 10 нейтронов, в ядре кислорода-17, который обнаружен лишь в следовых количествах, 8 протонов и 9 нейтронов. [c.169]


Как измерить непредставимое и представить неизмеримое

Физики смогли определить характерный размер протона с беспрецедентной точностью

Точное измерение характерного размера протона принципиально важно для расчета уровней энергии и частот излучения атомов. Иллюстрация с сайта www.jlab.org

Журнал Nature опубликовал небольшую статью с результатами эксперимента, проведенного в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США «A small proton charge radius from an electron-proton scattering experiment» («Малый радиус заряда протона, полученный из эксперимента по электрон-протонному рассеянию»). Почему это важно.

Протон вместе с нейтронами входит в состав ядер всех известных химических элементов. С параметрами протона напрямую связаны некоторые фундаментальные физические постоянные. В частности, постоянная Ридберга, используемая для расчета уровней энергии и частот излучения атомов. Специальная международная комиссия CODATA отслеживает все результаты измерений фундаментальных констант. Теперь работы экспертам комиссии прибавится.

Протон почти не виден

Польскому поэту и философу Станиславу Ежи Лецу принадлежит замечательный афоризм: «И размеры Вселенной могут быть военной тайной». Недаром английский астрофизик Стивен Хокинг в 1990 году подчеркивал: «Очень трудно доказать беспредельность Вселенной, но если мы это сделаем, то сможем объяснить все во Вселенной, основываясь на гипотезе о ее беспредельности, и я думаю, что такая теория будет более экономной и более естественной». Но как минимум неменьшая тайна – размеры объектов на другом конце шкалы масштабов: атомы, не говоря уже об элементарных частицах. И квантовая физика, изучающая эти объекты, существование которых зачастую и представить можно только в виде математической формулы, тоже претендует на объяснение всего во Вселенной.

Действительно, если астрофизические события и объекты мы можем наблюдать и/или визуализировать непосредственно, хотя и с задержкой, порой в миллиарды лет, то получить изображение элементарных частиц не удается принципиально. Не удавалось…

Еще каких-то 10 лет назад можно было, не покривив против «истины» (беру в кавычки, так как абсолютная истина – это все-таки идеальная модель), сказать: «До сих пор считалось, что сфотографировать атом водорода нет никакой технической и технологической возможности. Недаром в современных учебных пособиях для студентов можно прочитать, что «…атомы лежат за пределами нашего восприятия, их нельзя ни увидеть, ни услышать. Атомистические представления не могут возникнуть и из мифа, поскольку миф всегда использует наглядные образы» (см. «НГ-науку» от 24.11.10).

Но как раз в 2010 году физики из Токийского университета сумели впервые в истории сфотографировать отдельный атом водорода. Достижение феноменальное и, казалось, предельное. Проще атома водорода вроде бы природа ничего не создала. Ядро, роль которого играет положительно заряженная элементарная частица, – протон, а вокруг «размыт» по орбите отрицательно заряженный электрон. Диаметр атома водорода примерно 10–8 см, размеры ядра – 10–13 см. Представьте себе, что электрон вращается вокруг шпиля Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова с диаметром орбиты вращения 1 км. Тогда размеры ядра атома на шпиле – не более горошины.

И вот в минувшем ноябре журнал Nature сообщает очередную порцию новостей об… устройстве этой самой «горошины».

До 2010 года измерения радиуса протона проводились двумя методами: рассеяния электронов и атомной спектроскопии. В экспериментах по рассеянию электронов радиус заряда протона определяется по изменению пути электронов после того, как они отразились или рассеялись от протона (упругое электрон-протонное рассеяние). В измерениях методом атомной спектроскопии фиксируются переходы между энергетическими уровнями электронов, вращающихся вокруг ядра водорода или дейтерия. Оба эти метода давали значение радиуса протона около 0,88 фемтометра.

Для постановки нового эксперимента по
измерению радиуса протона пришлось 
существенно модернизировать ускоритель
непрерывных электронных пучков CEBAF. 
Фото с сайта www.jlab.org
В 2010 году физики опробовали новый вариант метода атомной спектроскопии, заменив электроны на мюоны, которые вращаются намного ближе к протону и более чувствительны к радиусу заряда последнего. Этот результат дал значение, которое было на 4% меньше: примерно 0,84 фемтометра. «…Новый метод с использованием мюонных атомов водорода обнаружил существенное расхождение по сравнению с предыдущими результатами, которые стали называться «загадкой радиуса протона», – пишут авторы статьи в Nature. – Несмотря на экспериментальные и теоретические усилия, загадка остается нерешенной. Фактически существует несоответствие между двумя самыми последними спектроскопическими измерениями, проведенными на обычном водороде».

Тогда стали писать о том, что, возможно, мюоны взаимодействуют с протонами не так, как электроны, и это открывает окно в «новую физику», а сам факт несходимости результатов измерений и назвали «головоломкой протонного радиуса». Для наглядности – хотя о какой наглядности здесь можно говорить! – один фемтометр – это 10–15 метра.

При этом протон и электрон в атоме водорода гравитационно притягиваются с силой, которая составляет всего лишь 4 х 10–40 от силы их электростатического притяжения.

А пятому – не бывать!

Надо сказать, что подготовка к новому эксперименту по разгадыванию этой головоломки заняла у американских ученых семь лет.

В 2012 году группа ученых под руководством Ашота Гаспаряна из Университета штата Северная Каролина собралась в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, чтобы доработать метод рассеяния электронов. Эксперимент получил название PRad («Протонный радиус»). Специально была проведена модернизация ускорительного комплекса CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility – ускоритель непрерывных электронных пучков). Методика PRad предусматривала три нововведения.

Во-первых, был разработан новый тип мишени. Охлажденный газообразный водород направлялся прямо в поток ускоренных электронов с энергией 1,1 и 2,2 ГэВ, что позволило рассеянным электронам двигаться почти беспрепятственно в детекторы.

Во-вторых, для детектирования рассеянных электронов, возникающих в результате попадания электронов на протоны или электроны водорода, применили калориметр, а не традиционный магнитный спектрометр. Гибридный калориметр HyCal измерял энергию и положение рассеянных электронов, в то время как газовый электронный детектор GEM, специально построенный для этого эксперимента, определял позиции электронов, но с высокой точностью. Данные обоих детекторов сравнивались в реальном времени. Это дало возможность экспериментаторам понять, какое событие они обнаружили: электрон-электронное или электрон-протонное рассеяние. Понятно, что это значительно повысило точность эксперимента.

Были применены и еще некоторые, сугубо технологические, ухищрения, про которые можно сказать – искусство эксперимента.

В итоге полученный по новой методике радиус протона составляет 0,831 ± 0,007 фемтометра. Это самое точное значение на сегодняшний день. Оно меньше, чем предыдущее значение, полученное методом рассеяния электронов (0,88 фемтометра), и неплохо согласуется с результатами мюонной атомной спектроскопии (0,84 фемтометра).

«Мы рады, что годы напряженной работы нашего сотрудничества заканчиваются хорошим результатом, который поможет в решении так называемой головоломки протонного радиуса», – приводит слова Ашота Гаспаряна пресс-релиз Министерства энергетики США.

В самой статье авторы подчеркивают: «Кроме того, наш вывод согласуется с пересмотренным значением (объявленным в 2019 году. – «НГ-наука») для постоянной Ридберга – одной из наиболее точно оцененных фундаментальных констант в физике».

«Это было самое сложное измерение, которое когда-либо пыталась сделать наша лаборатория. Мы добились высочайшего уровня точности в измерении радиуса протона, – отметил ведущий автор исследования, сотрудник департамента физики и астрономии Йоркского университета Эрик Хессельс. – После восьми лет работы над этим экспериментом мы все же смогли провести такое высокоточное измерение, которое помогает решить головоломку протонного радиуса».

Поиск решения этой загадки имеет далеко идущие последствия для понимания законов физики, таких как теория квантовой электродинамики, которая описывает, как взаимодействуют свет и материя.

Опять же это важно хотя бы потому, что разброс в измерениях радиуса протона привел к появлению гипотезы о существовании некоей новой фундаментальной силы природы (отсюда и разговоры о «новой физике»), по-разному действующей на электроны и мюоны. Напомним, сегодня известны четыре фундаментальных взаимодействия в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. А пятому – не бывать! По крайней мере пока.

Тотальная визуализация

Но достижение американских физиков имеет не только сугубо естественно-научное значение – хотя, подчеркнем еще раз, даже сами по себе экспериментальная техника и методология просто удивительны, – но и мировоззренческое, философское значение.

«Человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить», – отмечал в свое время нобелевский лауреат Лев Ландау, рассуждая о квантовой механике. И все-таки перевести объекты в изображения – это неистребимая потребность физиков. Соответственно, изобразить нечто, непредставимое в образах принципиально, считалось невозможным. Вернее, эти изображения не могут нести никакого физического смысла и не соответствуют реальному физическому объекту. В общем, материя – это то, что поддается записи математическими формулами. И это – давняя философская традиция. Иммануил Кант, например, считал, что «…в любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней математики».

«…Начиная с середины 1980-х годов некоторые наиболее интересные и значимые изображения в науке оказываются совершенно неадекватными тем объектам, которые они пытаются репрезентировать… репрезентируют скорее породившую их математику, чем любые изображаемые объекты в пространстве, – пишет профессор Чикагского института искусств Джеймс Элкинс в эссе «Бесполезная визуализация квантовой механики» («Исследуя визуальный мир», Вильнюс, 2010). – В моем визуальном воображении нет ничего соответствующего бариону с его валентностью и морским кварком. Также я не имею ментального изображения электрона, даже оставляя в стороне дозволенные количества спиновых моментов импульсов».

И тем не менее магистральная линия в науке (не только в физике) – визуализация концептов, результатов, гипотез. Хрестоматийный пример «визуализации» непредставимого, но измеримого – ньютоновский закон всемирного тяготения. Ньютону удалось сделать главное – найти образ, который стал наглядным, а потому и запоминающимся, визуальным символом новой загадочной силы – гравитации. Этот образ и материализовался в падающем яблоке…

Вот и с электронами интересная получается картинка…

В 2011 году физики из Имперского колледжа Лондона сообщили, что им удалось определить форму электрона с точностью, которая на много порядков превосходит точность всех сделанных ранее измерений.

Электрон – элементарная частица, отвечающая за перенос электромагнитного взаимодействия. Существующие теории предполагают, что электрон должен иметь практически идеальную сферическую форму. Однако провести точные измерения этого параметра невероятно сложно. Как отмечалось в пресс-релизе Имперского колледжа Лондона, подготовка и проведение эксперимента заняли около 10 лет. С помощью лазерной системы ученые измеряли малейшие колебания, которые совершали находящиеся в молекулах фторида иттербия электроны. В итоге было установлено, что отклонения от идеальной сферической формы в электроне не превышают 10–28 см. Если увеличить размер электрона до размеров Солнечной системы, то размер отклонений окажется меньше толщины человеческого волоса.

В 2015 году международная команда исследователей из России, Дании, Бельгии и Канады под руководством Ганса Якоба Вернера из Высшей технической школы в Цюрихе смогла проследить движение электронов в молекуле с временным разрешением 100 аттосекунд и показала, что этими электронами можно управлять. (Приставка «атто» означает 10–18 с.)…

Итак, фотографию атома водорода мы уже давно имеем. Шарообразность электрона подтверждена с умопомрачительной точностью; само движение электрона отслежено с не менее обескураживающими подробностями. Возможно, нынешнее беспрецедентное измерение характерного размера протона станет тем рубежом в истории науки, пройдя который придется вообще отказаться от понятия «принципиально неизобразимый объект (явление)». Или по крайней мере значительно раздвинет пределы репрезентации физических концептов. Теперь это не только математические формулы, но и картинки. Недаром древние греки не различали понятий «видеть» и «знать».

7 протонов% 2c 8 нейтронов 10 электронов

7 протонов, 6 нейтронов, 6 электронов 4. В случае отрицательного иона протонов меньше, чем электронов. C Неверно, это стабильный азот. 6 протонов, 7 нейтронов, 7 электронов 3. В вашем случае у вас # 8 # протонов и # 10 # электронов. нет. Атом кальция имеет 20 протонов, 20 электронов и 20 нейтронов, если у атома больше электронов, чем протонов, то он имеет чистый отрицательный заряд. если атом азота также имеет 7 электронов, то он нейтрален и не является ионом, а просто обычным азотом.{14} C \) (14 C), с 8 нейтронами и 6 протонами. Это элемент номер 16, так как это количество протонов и электронов. Атомная масса минус атомный номер дает вам количество нейтронов. Масса электронов 9. посмотрите на таблицу Менделеева, атомный номер 7, азот. был задан вопрос 31 мая 2017 года. Элементы 1-20, с протонами, электронами, нейтронами и атомной массой. Три частицы, составляющие площадь атомов. Итак, A, B и D — настоящие протоны, нейтроны и изотопы. C. Протоны имеют распределение положительного заряда, которое приблизительно экспоненциально затухает со среднеквадратичным радиусом около 0.8 фм. Нейтрон имеет средний квадратный радиус около 0,8 × 10-15 м, или 0,8 фм, и это фермион со спином 1/2. (1 балл) 8 протонов, 8 электронов и 8 нейтронов 6 протонов, 6 электронов и 6 нейтронов 8 протонов, 6 электронов и 7 нейтронов 6 протонов, 6. (1 балл) 8 протонов, 8 электронов и 8 нейтронов 6 протонов, 6 электронов и 6 нейтронов 8 протонов, 6 электронов и 7 нейтронов 6 протонов, 6. 7 протонов, 6 нейтронов, 5 электронов 2. В третьем столбце показаны массы трех субатомных частиц в «атомных единицах массы».«Да. Масса протонов равна 1. протонам, нейтронам и электронам. B. Ион азота приобрел 3 электрона, поэтому он имеет 7 протонов, 10 электронов. Нейтронов = атомный вес — атомный номер (округленные доли), таким образом, 13C имеет 6 протонов, 6 электронов, 7 нейтронов. Найдите ответ на свой вопрос «У нитратного иона 7 протонов, 8 нейтронов и 10 электронов, каков общий заряд иона …» в разделе «Химия», если кажется, что нет. правильный или нет ответа O 2- имеет 8 p, 10 e (из-за двух отрицательных зарядов) и 8 n.F- имеет 9 п, 10 е и 10 п. 35 Cl- имеет 17 п., 18 п., 18 п. D означает дейтерий, изотоп водорода. Масса нейтронов равна 1. У нитрид-иона 7 протонов, 8 нейтронов и 10 электронов. 6 протонов, 6 нейтронов, 8 электронов … »в истории, если нет ответа или все ответы неверны, воспользуйтесь строкой поиска и попытайтесь найти ответ среди похожих вопросов. Найдите ответ на свой вопрос «У нитрат-иона 7 протонов, 8 нейтронов и 10 электронов, каков общий заряд иона …» в разделе «Химия», если вы сомневаетесь в правильности ответов или ответа нет. , затем попробуйте воспользоваться умным поиском и найти ответы на похожие вопросы.«Нитрат-ион имеет 7 протонов, 8 5 протонов + 6 нейтронов 10,8 (округляется до 11) — это атомная масса. Фтор. D Верно, здесь 7 протонов и 10 электронов, поэтому он имеет заряд -3. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые притягиваются друг к другу посредством ядерной силы, в то время как протоны отталкиваются друг от друга посредством электрической силы из-за их положительного заряда. Какой у него атомный номер? Если частицы беспристрастны, они также должны содержать шесть электронов. Ион нитрида состоит из 7 протонов, 8 нейтронов и 10 электронов.Я знаю, что у серы по 16 штук. Узнать больше: Поделиться Поделиться на Facebook Твитнуть на Twitter Плюс на Google+ «Предыдущий вопрос. Атомная единица массы (\ (\ text {amu} \)) определяется как одна двенадцатая массы атома углерода-12. Состав атомов Быстрая проверка вопросов и ответов Наука 8 A Блок 3: Взаимодействие с материей A. Протоны: Нейтроны: Электроны: Атомы шести элементов Название Символ Атомный номер Число протонов Число электронов Водород H 1 Гелий He 2 Литий Li 3 Бор B 5 Углерод C 6 Кислород O 8 2 1 1 2 5 3 6 3 5 6 88 массовое число 4 5 neon-22 10 12 10 22 Ne 10 масс Атомы йода добавляются в виде анионов, и каждый из них имеет 1â â ¦ Нет нигде около 10 [SUP] 100 [/ SUP] протонов, нейтронов и электронов… Попробуйте поискать ответы на похожие вопросы.Ответ: А. 6 7 2 7 × 1 0 — 2 7 кг. Заряд на электронах -1. В таблице \ (\ PageIndex {1} \) приведены свойства и расположение электронов, протонов и нейтронов. Электроны находятся вне ядра. 6 7 5 × 1 0 — 2 7 кг. Протоны присутствуют внутри ядра. какой элемент имеет 16 протонов, 17 нейтронов и 16 электронов? Изотопы Это кислород. В ядре теперь 4 протона… В нем 1 p, 1 e, 1 n 7 протонов, 7 нейтронов, 7 электронов 5. Протоны и нейтроны являются нуклонами, которые могут быть связаны вместе ядерной силой с образованием атомных ядер.Натрий. 12C: 6 электронов, 6 протонов и 6 нейтронов; 13C: 6 электронов, 6 протонов и 7 нейтронов; 14C: 6 электронов, 6 протонов и 8 нейтронов 6 протонов, 6 нейтронов, 6 электронов B.) Приведенные данные: Число протонов = 8 Число нейтронов = 8 Число электронов = 10 Идентифицировать; Является ли данное химическое соединение атомом или ионом. Говорят, что протон несет заряд # 1 + #, а электрон, как говорят, несет заряд # 1- #. Эти две силы конкурируют, приводя к различной стабильности ядер. Здесь еще 2 электрона, поэтому заряд равен -2.- ответы на estudyassistant.com B верно, атомный номер совпадает с числом протонов. У нейтрального атома одинаковое количество протонов и электронов (заряды нейтрализуют друг друга). Азот. Например, N 3 имеет заряд -3; следовательно, он получил 3 электрона по сравнению с нейтральным состоянием. Ответы (1) Какая пара из представленных ниже описывает изотопы одного и того же элемента? Другой изотоп того же элемента может иметь .. 7 электронов O 9 протонов 10 нейтронов O массовое число 16, атомный номер 7 Все вышеперечисленное Отрицательный заряд указывает на то, что нейтральный атом получил электроны, а положительный заряд указывает на то, что нейтральный атом имеет потерянные электроны.Э-э, протоны из массового числа, которое было дано в задаче, равного 69. Затем вы сравниваете количество электронов с количеством протонов, чтобы получить заряд. сколько протонов, нейтронов и электронов есть в углероде. Потому что каждый элемент специализируется на количестве протонов. 21 семестр. 14 февр.2021 г. | Без категории | Без категории Поскольку количество протонов в химическом веществе равно 8. Атом, содержащий 7 протонов, 8 нейтронов и 7 электронов: A) является нейтральным по заряду. Посмотреть ответ сейчас. Ядро наиболее распространенного изотопа атома водорода (с химическим символом «H») представляет собой неподеленный протон.вопрос был задан 31 мая 2017 года. Основное различие между этими изотопами — количество нейтронов в активной зоне. Атомный номер азота 7, следовательно, у этого иона 10 электронов. Вам не нужно знать количество нейтронов и электронов в атоме, чтобы определить, что это за элемент! 1. 1 × 1 0 — 3 1 кг. У них нет заряда. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в ионе 13c -? я. e Массовое число = протоны + нейтроны Массовое число = 8 протонов + 7 нейтронов = 15 Кроме того, поскольку число протонов отличается от числа электронов на 2, ион образовался, когда его атом получил 2 электрона.Ответ: 1 вопрос. Ион содержит 8 протонов, 10 электронов и 7 нейтронов. Они вращаются вокруг ядра. нейтроны, изотопы и электроны. d. Это означает, что атом будет нести в общей сложности # 2 xx (1-) = 2- # восемь протонов; девять нейтронов # -> # они не влияют на чистый заряд атома; десять электронов; Теперь электроны и протоны несут противоположные заряды. Наука. N # 7 7 протонов + электронов 7 нейтронов 14,0 — атомная масса. Вы складываете протоны и нейтроны, чтобы узнать элемент (здесь 16 — проверьте периодическую таблицу).Вопрос 18 из 25 4.0 баллов Оксидный ион, O 2-, имеет: A.10 протонов и 8 электронов B.8 протонов и 10 электронов C.10 протонов и 7 электронов D.8 протонов и 9 электронов E.8 протонов и 7 электроны. Ответ: B ну, если в нем 7 протонов, то это азот. Часть 1 В атоме 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. A.) Ядро 14 C, однако, нестабильно, но подвергается медленному радиоактивному распаду, который является основой метода датирования углерода-14, используемого в археологии. Г) не может существовать. Посмотреть ответ сейчас.F # 9 9 протонов + электронов 10 нейтронов 18,9 (19) — атомная масса. Заряд на протонах +1. E) ничего из вышеперечисленного. C) представляет собой атом кислорода. Посмотрите на таблицу Менделеева. Протоны, нейтроны и электроны в ионах 10 вопросов | Автор Asso222 | Последнее изменение: 18 июня 2017 г. | Всего попыток: 67 вопросов Все вопросы 5 вопросов 6 вопросов 7 вопросов 8 вопросов 9 вопросов 10 вопросов А верно, потому что вес электронов настолько мал по сравнению с протонами и нейтронами. Б) — ион. Модель атома показывает восемь электронов в кольцах, которые представляют разные уровни энергии.

Как добавить сертификат PDF в Linkedin, Доверенность на проживание, Малое противоядие Ковчега, Майя Анжелу работает, Baldur Norse Mythology, Скорпион нового поколения 2020, Карен Лоуренс Художник,

Астрономия 110 ПЕЧАТЬ Имя & nbsp & nbsp __________________________
Осень 2005 г. & nbsp Раздел 006

Домашнее задание 5. Свет и атомы усилителя

(к оплате в четверг, 13 октября 2005 г.)

Свет

Ответьте на вопрос 12 на странице 126 учебника, о длины волн радиосигналов.Дайте ответы в соответствующих единицы длины, то есть те, которые минимизируют количество нулей.

Радиоволны составляют часть спектра света. Формула, которую мы используем для определения длины волны, объясняется на странице 91 нашего текста. Это:

Длина волны = скорость / частота

Задача дает нам частоту радиоволн, поэтому нам нужно знать скорость. Хотя эта формула верна для любого типа волн (например, ряби на пруду или звуковых волн), мы говорим о световых волнах, поэтому мы используем скорость света, которая составляет примерно 3 * 10 5 км / с.При частоте 790 килогерц (это означает, что за одну секунду мимо вас проходят волны 7,9 * 10 5 ):
Длина волны = (3 * 10 5 км / с) / (7,9 * 10 5 Гц) = 0,38 км
Более подходящий способ записать 0,38 км — в метрах: 0,38 км = 380 м. Радиоволна с частотой 790 кГц имеет длину волны 380 м .

Для радиоволны частотой 98,3 мегагерц:
Длина волны = (3 * 10 5 км / с) / (9,83 * 10 7 Гц) = 0,003 км
Снова используем метры для нашего окончательного ответа — 9.83 * 10 7 Гц Радиоволна имеет длину волны 3,0 м.
Атомы

Самый распространенный атом железа состоит из 26 протонов и 30 нейтронов. ядро. Каковы его атомный номер, атомная масса и количество электроны, если он электрически нейтрален?

Этот атом имеет атомный номер 26, атомную массу 56 и имеет 26 электронов.

Причина:
Атомный номер определяется как количество протонов в атоме.Атомная масса — это мера того, насколько массивен атом (измеряется в специальных единицах, называемых атомными единицами массы), она определяется путем сложения количества протонов и нейтронов (мы можем это сделать, потому что протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, и мы игнорируем электроны, потому что их масса намного меньше, чем у протона или нейтрона). Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют заряда, а электроны имеют отрицательный заряд. Чтобы атом был нейтральным, все его заряженные частицы должны нейтрализовать друг друга, поэтому у него одинаковое количество протонов и электронов.

Рассмотрим следующие три атома: Атом 1 имеет 7 протонов и 8 нейтроны; атом 2 имеет 8 протонов и 7 нейтронов; атом 3 3 имеет 8 протонов и 8 нейтронов. Какие два изотопа и одного и того же элемента? Atom 2 и Atom 3 — это один и тот же элемент.

Причина:
Каждый элемент имеет определенный атомный номер, а атомный номер определяется количеством протонов, поэтому количество протонов говорит вам, какой это элемент.У атома 2 и атома 3 по 8 протонов, а у атома 1 только 7.

Какой это элемент? Кислород

Причина:
Кислород по определению имеет 8 протонов в своем ядре.

Рассмотрим атомы фтора с 9 протонами и 10 нейтронами. Какие атомный номер и атомная масса фтора? Предположим, мы могли бы добавить протон к этим фтористым ядрам. Будет ли результат по-прежнему фтором?

Причина:
Как объяснялось выше, количество протонов в атоме определяет, каким элементом он является.Таким образом, добавление протона к фторурину делает его неоном, потому что в нем 10 протонов.

Максимальное количество электронов, которое может потерять атом фтора? 9 электронов.

Причина:
Если предположить, что атом флурина изначально нейтрален, то у него будет 9 электронов. Удаление электронов делает Флурин положительно заряженным, но это все еще Флурин, потому что он имеет 9 протонов. Итак, начиная с нейтрального атома, атом фтора может потерять 9 электронов.

Субатомные частицы


Субатомные частицы

Все элементы состоят из очень маленьких частиц материи, называемых атомами . Мы можем определить атом как простейшую частицу элемента, обладающую химическими свойствами этого элемента. Химические свойства включают физическое состояние элемента (газ, жидкость или твердое тело), ​​типы связей, которые может образовывать элемент, его реакцию с другими элементами и т. Д.Следовательно, все атомы, составляющие элемент углерода, обладают одинаковыми химическими свойствами.

Физикам удалось разбить атомы на десятки различных субатомных частиц, однако только 3 из них являются стабильными. Это протонов , нейтронов, и электронов . Протоны являются положительно заряженными частицами, имеют массу и расположены в центре или ядра атома. Нейтроны не имеют заряда, имеют массу и также находятся в ядре атома.Нейтроны связываются с протонами, помогая стабилизировать ядро. Слишком много или слишком мало нейтронов может привести к тому, что атомное ядро ​​станет нестабильным и может распадаться с образованием других элементов. Мы называем эти атомы радиоактивными. Хотя масса нейтрона немного больше массы протона, мы можем присвоить им обоим относительную массу 1 (1 атомная единица массы или а.е.м.). Нейтроны и протоны составляют почти всю массу атома. Третий тип стабильных частиц — электрон. Электроны имеют отрицательный заряд, но чрезвычайно малы и имеют массу всего 1/1850 массы протона или нейтрона.Они настолько малы, что практически не влияют на массу атома. Электроны движутся вокруг ядра с невероятно высокой скоростью, фактически путешествуя со скоростью, близкой к скорости света. Хотя мы часто описываем электроны как находящиеся на орбитах, вращающихся вокруг ядра, как планеты, вращающиеся вокруг Солнца, современная физика учит нас, что эта модель неверна. Эти «орбитали» на самом деле представляют собой области в пространстве вокруг ядра, где большую часть времени будут находиться электроны. Эту область часто называют электронным «облаком».«Правда, это все же специфическая область, но она немного более аморфна, чем сферическая орбита. Однако для простоты мы часто думаем о них как о спутниковых круговых орбиталях. На изображении ниже представлена ​​наша текущая модель атома азота.

Ядро азота содержит 7 протонов (оранжевый) и 7 нейтронов (зеленый). Заштрихованные области вокруг ядра представляют собой электронные орбитали (облака). Электроны (синие) будут находиться где-то в пределах этих орбиталей. (Примечание: изображение нарисовано не в масштабе.Было высказано предположение, что если бы ядро ​​было размером с баскетбольный мяч, электроны находились бы на расстоянии около в шести километрах или 3¾ милях от !)

изображение создано студенткой BYU-I Ханной Краудер Фолл 2013 г.

Атомный номер

Еще раз взгляните на таблицу Менделеева и обратите внимание на число в верхней части каждого поля. Этот номер является атомным номером для элемента и уникален для каждого отдельного элемента.Например, атомный номер водорода равен 1. Ни один другой элемент не имеет атомного номера 1. Для углерода атомный номер равен 6, и, опять же, ни один другой элемент не имеет атомного номера 6. Значение атомного номера равно что он сообщает нам количество протонов в ядре каждого элемента. Следовательно, все атомы водорода имеют 1 протон, а все атомы углерода — 6 протонов. Кроме того, поскольку атомы имеют нейтральный заряд, атомный номер также сообщает нам количество электронов в атоме. В химической записи атомный номер элемента выражается нижним индексом перед символом элемента.Например, углерод будет выражен как 6 C.

Массовое число (атомная масса)

Массовое число атома , как следует из названия, указывает общую массу атома. Поскольку масса электрона чрезвычайно мала (пренебрежимо мала), она не используется при вычислении массового числа. Также помните, что масса каждого протона и каждого нейтрона равна 1 атомной единице массы. Следовательно, массовое число — это сумма протонов и нейтронов в атоме.Поскольку массовое число — это количество протонов плюс количество нейтронов, а атомный номер — это количество протонов, вы можете найти количество нейтронов, просто вычтя атомный номер из массового числа. В качестве примера предположим, что у нас есть элемент с атомным номером 8 и массовым числом 17. Из этой информации вы можете сделать вывод, что этот элемент имеет 8 протонов, 8 электронов и 9 нейтронов (17-8 = 9). А теперь позвольте мне бросить вам кривой мяч. Как упоминалось выше, все атомы данного элемента имеют одинаковое количество протонов (атомный номер), однако разные атомы данного элемента могут иметь разных нейтронов.Мы говорим, что это разные 90–150 изотопов 90–151 элемента. Например, есть три изотопа водорода. Самый распространенный изотоп, составляющий 99,98% всех атомов водорода, имеет массовое число 1. Следовательно, он состоит из 1 протона, без нейтронов и одного электрона. Остальные менее распространенные изотопы водорода имеют массовые числа 2 и 3 соответственно. Эти изотопы различаются количеством нейтронов в ядрах, но все три имеют один протон и один электрон. На самом деле в природе существуют изотопы каждого элемента, каждый из которых имеет свое уникальное массовое число.В химической записи массовое число для данного изотопа выражается в виде верхнего индекса перед символом элемента. Три изотопа водорода можно выразить как 1 H, 2 H и 3 H. Поскольку каждый элемент состоит из нескольких изотопов, возникает один вопрос: «Какова фактическая масса данного элемента?» Опять же, если вы посмотрите на таблицу Менделеева выше, вы заметите число внизу каждого поля. Это атомный вес элемента.Например, атомный вес водорода составляет 1,00794 а.е.м. Это число было получено путем вычисления средней массы трех изотопов водорода. Например, предположим, что в нашем классе было 10 мальчиков. Если бы мы хотели узнать средний вес мальчиков, мы бы сложили их индивидуальные веса, а затем разделили бы полученное значение на 10. Это даст нам их средний вес. По сути, так определяется атомный вес. Поскольку 1 H является наиболее распространенным изотопом водорода, логично предположить, что атомный вес водорода очень близок к атомной массе 1 H.

изображение создано студенткой BYU-I Ханной Краудер Фолл 2013 г.

На изображении выше представлены три изотопа водорода. Самый распространенный (вверху слева) имеет один протон и в ядре нет нейтронов. Дейтерий (внизу) имеет один протон и один нейтрон, а тритий (вверху справа) имеет один протон и два нейтрона.

** Вы можете использовать кнопки ниже, чтобы перейти к следующему или предыдущему чтению в этом модуле **

Распечатать эту страницу

лекций3

лекций3

14 января 2005

Лекция 3

Чтение, Глава 3

II.Химическая Природа жизни , продолжение

Вы — живой организм. Твое тело состоит из органов, таких как сердце и кожа. Эти органы в свою очередь состоит из тканей, которые представляют собой группы клеток, которые функционируют вместе, например ваша кровь — это ткань и компонент вашего сердце и кожа. Ткани состоят из клеток, которые являются основными единица живых существ. (Некоторые организмы, по сути, представляют собой одиночные клетки). Клетки состоят из мембран и пространств, которые, в свою очередь, состоят из молекулы.Большинство этих молекул слишком малы, чтобы их можно было увидеть. даже с мощным микроскопом. Их свойства оказывают огромное влияние. влияние на живые существа, которые из них состоят, тем не мение.

Б. Химия

Понимание молекул живого вещи необходимы для понимания жизни. Чтобы знать биологию, вы должны знать химию.

1. Атомы

Молекулы состоят из застрявших атомов вместе химическими связями.Проще говоря, атомы — это частицы химические элементы, состоящие из трех видов более мелких частиц: протоны, нейтроны и электроны.

Протоны относительно большие и имеют положительный электрический заряд.

Нейтроны размером примерно с протоны, но не имеют заряда.

Электроны очень маленькие (1/2000 массы протона) и имеют отрицательную электрическую обвинять.

Чтобы понять химические связи между атомов в молекуле, вы должны знать два свойства материи и вселенная:

1) Частицы с подобным обвинения, например два электрона отталкиваются друг от друга. Частицы с в отличие от обвинений, например протон и электрон притягивают каждый Другие.

2) Заряженные частицы имеют тенденцию двигаться чтобы создать нейтралитет. Одним из следствий этого является то, что атомы имеют тенденцию иметь равное количество положительных и отрицательных зарядов, т.е.е. равное количество протонов и электронов.

Некоторые примеры атомов, которые в живом организме важны:

Водород (H) — 1 протон, 1 электрон, 0 нейтроны

Кислород (O) — 8 протонов, 8 электронов, 8-10 нейтронов

Углерод (C) — 6 протонов, 6 электронов, 6-8 нейтронов

Сгруппированы протоны и нейтроны вместе в центре атомов в атомном «ядре».Электроны быстро вращаться вокруг ядра по орбитам, образуя «облако».

(Обратите внимание, что кислород, углерод и другие в атомах иногда может быть больше нейтронов, чем протонов. Эти «тяжелые» формы кислорода и углерода называются «изотопами». Изотопы чрезвычайно полезен в биологии. Например, тяжелые изотопы углерода могут использоваться для наблюдения за потоком атомов углерода из атмосферы в растения путем фотосинтеза, в животных, когда они поедают растения, и обратно в атмосферу, когда животные и растения умирают.Тяжелый изотопы многих атомов используются в качестве «часов» для определения возраста окаменелости и другие материалы.)

2. Электронные оболочки

Электроны быстро перемещаются в космосе и вовлекаются на орбиты вокруг атомных ядер своим притяжением к там протоны. Электроны, вращающиеся вокруг ядра, имеют разное количество энергии. Электроны с низкой энергией движутся по орбите вблизи ядро, в то время как электроны с более высокой энергией вращаются дальше по орбите.Электрон орбиты организованы в «оболочки», каждая из которых имеет место для определенного количество электронов. Первая электронная оболочка — это самая низкая электроны энергии найдены и имеет место для 2 электронов. Секунда электронная оболочка содержит электроны с более высокой энергией, чем первая и имеет место для 8 электронов. Третья электронная оболочка содержит более высокие электронов энергии, чем второй, и имеет место для 8 электронов. Большой атомы, такие как железо (Fe), имеют много электронных оболочек, но вам нужно только подумайте об этих первых трех сейчас.

Два принципа верны в отношении электронов в своих оболочках:

1) Количество электронов всегда равно или почти равно количеству протонов в атом.

2) Атомам нравится, когда их электронные оболочки полны и даже будут делить электроны с другими атомов, чтобы добиться этого.

3. Химические связи

Молекулы образуются при слипании атомов вместе за счет химической связи.Они держатся вместе несколькими способами, то есть существует несколько различных видов химических связей.

а. Ковалентные связи

Это самый сильный тип химическая связь. Они возникают, когда два или более атома разделяют электроны в их внешние оболочки, так что все они имеют свои внешние оболочки эффективно полный

Например, водород (H) имеет 1 протон в его ядре и 1 электрон в первой оболочке. Было бы хотел бы, чтобы в его первой оболочке был еще один электрон, чтобы дать ему полную дополнение 2.Кислород (O) имеет 8 протонов в ядре, 2 электрона. в его первой оболочке и 6 электронов во второй оболочке. Было бы хотелось бы иметь еще 2 электрона во второй оболочке, чтобы дать ему полную комплект из 8

Счастливый конец этой истории что два атома водорода часто делят свой единственный электрон с кислородом. Это фактически дает атомам водорода 2 электрона в их самые внешние оболочки и 8 электронов в самой внешней оболочке кислорода атом.Результатом этих ковалентных связей является вода, H 2 O.

г. Ионные связи

Ионные связи между атомами слабее чем ковалентные связи. Они возникают, когда у атома на один больше или на один меньше. электрон, чем протоны в ядре, давая атому чистую положительный или отрицательный заряд. Такие заряженные атомы называются ионами. Ионы противоположных зарядов притягиваются друг к другу и тем самым образуют ионная связь.

Например, натрий (Na) имеет 11 протонов, 2 электрона в первой оболочке, 8 электронов во второй оболочка, но только 1 электрон в третьей оболочке. Этот единственный электрон в третьей оболочке настолько «одиноко», что легко уносится другие атомы, образуя ион Na + с положительным зарядом (11 протоны, 10 электронов). Хлор (Cl) имеет в ядре 17 протонов, 2 электрона в его первой оболочке, 8 электронов во второй оболочке и 7 электроны в своей третьей оболочке.Cl нужен только еще один электрон в своем третья оболочка, чтобы быть «счастливой» и часто крадет электрон у атомов подобно Na, образуя ион Cl с отрицательным зарядом (17 протоны, 18 электронов).

Na + и Cl ионы имеют противоположный заряд и образуют ионную связь из-за их влечение друг к другу. В результате получается хлорид натрия (NaCl), также известная как поваренная соль.

г.Водородные связи

Водородные связи между атомами слабее ионных связей. Они возникают, когда молекулы «полярны». Полярный означает, что электроны в молекуле распределены неравномерно. в своих орбитах, но имеют тенденцию зависать на одном конце. Например, вода (H 2 O) полярный. Его электроны имеют тенденцию задерживаться около ядро кислорода больше, чем два ядра водорода. Это дает кислородный конец молекулы имеет небольшой отрицательный заряд, а водород заканчивает небольшие положительные заряды.Поскольку противоположные заряды притягиваются, положительные концы молекул воды свободно прилипают к отрицательным концам других молекул воды. Это водородные связи. В стакане вода, водородные связи между молекулами заставляют жидкость прилипать сам.

Водородная связь между водой молекул придает воде относительно высокую температуру кипения, потому что она требуется много энергии, чтобы молекулы воды разделились и образовали пар. Водородная связь между молекулами воды также придает воде высокая теплоемкость, а это означает, что для подъема требуется много энергии температура воды.Оба эти свойства делают воду идеальный растворитель для химии жизни. Остается жидкость над реально широкий диапазон температур.

Полярность молекул воды также заставляет растворяться в них другие полярные или заряженные соединения. Например, NaCl разделяется на ионы Na + и Cl в воде. (т.е. соль растворяется в воде). Это происходит потому, что положительный концы молекул воды толпятся вокруг отрицательно заряженных Cl иона и ослабить его притяжение к Na + ион.Точно так же отрицательно заряженные концы молекул воды вытесняют вокруг положительно заряженного иона Na + и ослабляют его притяжение к иону Cl . Неполярные соединения, например масла, не растворяются в воде, потому что не могут образовывать водородные связи с Это.

изотопов — мусорщики времени

Один из многих способов, с помощью которых палеоклиматологи узнают прошлые климатические и океанические условия, — это использование химического состава горных пород и ископаемых образцов.Помните, что химические элементы состоят из некоторого количества протонов, нейтронов и электронов. Элементы имеют заряженный баланс (ни положительный, ни отрицательный), потому что они имеют равное количество электронов и протонов. Однако различные химические реакции в природе заставляют элементы либо приобретать, либо терять электроны, и элементы становятся положительно или отрицательно заряженными. Когда это происходит, элементы становятся ионами. Положительные и отрицательные ионы будут притягиваться друг к другу с образованием твердых тел, некоторых жидкостей и некоторых газов.Когда твердое вещество растворяется в воде, положительные и отрицательные ионы распадаются и диссоциируют в воде. Большинство горных пород и твердые ископаемые части состоят из ионных соединений.

Например, поваренная соль хлорид натрия растворяется в воде, образуя положительно заряженный ион натрия и отрицательно заряженный ион хлорида. Образуется водный раствор (на водной основе):

В приведенном выше уравнении (s) указывает на твердый материал (поваренную соль), тогда как (aq) указывает, что эти ионы растворены в водном растворе.

Два изотопа кислорода. P указывает количество протонов; N указывает количество нейтронов.

Химические элементы встречаются в разных вариантах, называемых изотопами . Изотопы — это элементы, которые содержат одинаковое количество протонов, но различаются количеством нейтронов в их ядрах. Например, существует три изотопа кислорода элемента (O): кислород 16, 17 и 18. Каждый изотоп кислорода содержит 8 протонов, но отличается количеством нейтронов. Номер изотопа — это сокращенное представление его массы.Поскольку протоны и нейтроны примерно равны по массе, число изотопа равно сумме его протонов и нейтронов. Следовательно, кислород 16 имеет 8 протонов и 8 нейтронов, кислород 17 имеет 8 протонов и 9 нейтронов, а кислород 18 имеет 8 протонов и 10 нейтронов.

Есть два основных типа изотопов, которые геофизики используют для интерпретации древней Земли: стабильных и нестабильных изотопов. Нестабильный изотоп подвергается радиоактивному распаду, при котором элемент со временем теряет энергию.Некоторые радиоактивные изотопы встречаются в природе, и не все они вредны или причиняют вред человеку. Однако палеоклиматологи обычно не работают с этими нестабильными изотопами. Вместо этого мы используем стабильных изотопов , которые не подвергаются радиоактивному распаду.

Два наиболее распространенных стабильных изотопа, используемых геофизиками, — это углерода (C) и кислорода (O) . Хотя существует несколько типов стабильных изотопов, мы в основном будем говорить об углероде и кислороде, полученных из планктонных и бентосных фораминифер , поскольку они очень распространены в палеоклиматологии (особенно для изучения наших океанов), но также кратко коснемся других прокси, используемые для изотопного анализа.

Как получают изотопы углерода и кислорода?

Адриан указывал на тип сталактита, называемый «пещерными занавесками», во время спелеологии в западной Ирландии. Они были образованы растворенными ионами, перенесенными грунтовыми водами в пещеру, где они создали новые горные образования.

Палеоклиматологи получают изотопы углерода и кислорода из кальцита , обычной разновидности карбоната кальция с химической формулой CaCO3. В этой формуле есть три элемента: кальций (Ca), углерод (C) и три атома кислорода (O).Кальцит и карбонат кальция распространены на Земле и в океанах и могут принимать несколько форм. Здесь мы кратко поговорим о наиболее распространенных типах кальцита, используемых для изотопного анализа.

Кальцит входит в состав многих осадочных пород. Когда осадочная порода состоит преимущественно из карбоната кальция, геофизики называют ее известняком. Известняковые породы легко поддаются эрозии по сравнению с метаморфическими и магматическими породами. Карбонат кальция растворяется под воздействием кислот. Поскольку дождевая вода имеет слабую кислотность, длительное пребывание под дождем химически разрушает известняковые скальные образования (или даже известняковую статую в этом отношении).

Образования, отобранные микробуром.

Когда это происходит, растворенные ионы из известняка переносятся водой в почву, откуда они в конечном итоге попадают в пещеры. Здесь ионы известняка имеют пространство, чтобы капать в пещеру и образовывать новые известняковые образования в виде сталактитов и сталагмитов (обычно называемых образованиями). Чтобы проанализировать стабильные изотопы углерода и кислорода из образований, их вырезают из пещеры и доставляют в лабораторию, где распиливают пополам и полируют.Затем используется микродрель для бурения крошечных образцов из определенных интервалов вдоль образования для изотопного анализа.

Кальцит также используется морскими организмами для создания своих раковин и твердых частей. Беспозвоночные животные (без позвоночника) использовали растворенные ионы кальцита для создания своих панцирей, по крайней мере, с кембрия (~ 550 миллионов лет назад). Общие группы окаменелостей, которые используют кальцит, включают брахиопод, трилобитов и древних иглокожих, таких как бластоиды. Некоторые сохранившиеся (все еще живые) животные, такие как морские ежи и устрицы, также строят свои скелеты из кальцита.Кроме того, некоторые простейшие, такие как планктонные и бентосные фораминиферы, используют кальцит для построения своих панцирей. Организмы, производящие кальцит, регистрируют содержание углерода и кислорода в своих оболочках и могут быть проанализированы на наличие изотопов углерода и кислорода.

В породах палеозойского возраста ученые обычно получают изотопы кислорода из другого типа окаменелостей: конодонтов. Эти маленькие, похожие на зубы окаменелости — все, что осталось от древних угревидных организмов, которые представляют собой одни из самых ранних хордовых. Конодонты обычно встречаются в известняковых породах, поскольку эти существа плавали в морях, в которых был отложен известняк.В отличие от известковых брахиопод и трилобитов, среди которых они жили, зубы конодонтов состоят из апатита или фосфата кальция с химической формулой Ca 3 O 8 P 2 . Эти ученые могут анализировать конодонты для получения изотопов кислорода.

Ученые также могут использовать образцы известняка, взятые непосредственно с обнажения, для анализа изотопов углерода и кислорода. Получение этих объемных карбонатных образцов известняка обычно включает в себя поиск подходящего обнажения известняка, отбивание нескольких кусков через определенные промежутки времени и доставку образцов обратно в лабораторию для анализа.

Как измеряются изотопы углерода и кислорода?

Масс-спектрометр. Красная стрелка указывает на карусель, куда помещаются образцы.

После того, как соответствующий материал (образцы известняка, образования или окаменелости) собран для изотопного анализа, небольшой образец помещается в масс-спектрометр для измерения количества изотопов углерода и кислорода в каждом образце. Каждый образец загружается во флакон, а затем все флаконы помещаются в карусель (см. Изображение слева, с красной стрелкой, указывающей на карусель для образцов).Примерно три капли кислоты помещают во флаконы, чтобы растворить образец, создавая газ, содержащий измеряемые ионы. Ионы очень реактивны, поэтому измерения в масс-спектрометре происходят в вакууме. Существует несколько различных типов масс-спектрометров, но один из распространенных способов измерения изотопов — манипулировать ими с помощью магнитов и электрических полей и стрелять ими по изогнутой трубке.

Поскольку изотопы элементов различаются по весу из-за дополнительных нейтронов (например, кислород с 18 нейтронами тяжелее, чем молекула кислорода с 16 нейтронами), они будут отклоняться под разными углами в трубке.Степень, в которой ионы / атомы отклоняются магнитом, зависит от их веса. Более тяжелый ион / атом / молекула сложнее отклонить магниту, поэтому он будет только слегка поворачиваться, в то время как более легкий i / a / m имеет меньшую инерцию и его легче поворачивать.

Таким образом, более легкие молекулы отклоняются сильнее, чем более тяжелые. Эта информация отправляется на компьютер, который предоставляет исследователю данные о количестве каждого изотопа в каждом образце.

Чтобы получить более подробную информацию о том, как работает масс-спектрометрия, щелкните здесь.Чтобы просмотреть видеодемонстрацию того, как ионы отклоняются в масс-спектрометре, щелкните здесь.

Чтобы узнать, как палеоклиматологи интерпретируют изотопы углерода и кислорода, перейдите на страницу «Изотопы углерода и кислорода»!

Как это:

Нравится Загрузка …

Изотопы: применение в природных водах

Попыткам понять, как эволюционируют природные воды, в значительной степени помогают: изотопная химия. Происхождение и тип (ы) воды, окружающая среда в в которой находилась вода, типы реакций, протекающих в воде опытный, а также время, в течение которого вода была удалена из гидрологический цикл это лишь некоторые из областей, в которых химия изотопов помогла гидрологи разбираются в природных водах.

Изотопы

Упрощенный взгляд на атом состоит в том, что он состоит из ядра. состоящий из протонов и нейтронов, окруженных электронами в различных расстояния и занимающие орбитали различной формы и ориентации. Ядерные химики и физики продемонстрировали, что протоны и нейтроны не неделимы сами по себе, они состоят даже из более мелкие частицы, такие как кварки, мюоны, глюоны и многие другие с экзотические имена и свойства.Для целей данного обсуждения однако рассмотрение этих суб-субатомных частиц не обязательно. чтобы понять изотопы и их применение в химии воды.

Протоны, положительно заряженные частицы в ядре, представляют собой фундаментальная характеристика атомов. Атомный номер или количество протоны в ядре атома, контролирует идентичность атома. Если ядро содержит 8 протонов, этот атом — кислород.Если у атома 7 протоны, это азот; 9 протонов, это фтор. Изменение идентичность атома, цель алхимиков в средние века, осуществляется на Земле только через радиоактивный распад или естественная или искусственная бомбардировка ядро с высокоскоростными частицами.

Химическое поведение атома контролируется внешними электроны, окружающие ядро. Большинство элементов могут получить, потерять или делятся электронами.Эта способность контролирует, какие элементы объединяются (связываются) с образуют молекулы, и в каких пропорциях и ориентации относительно друг друга. Электроны имеют очень маленькие массы по сравнению с протонами, и обладают отрицательным зарядом.

Помимо протонов, ядро ​​атома содержит нейтроны. Нейтроны не имеют заряда и имеют массу, очень близкую к массе протоны. В отличие от протонов, число которых контролирует атомную идентичности, атомы одной идентичности могут иметь разное количество нейтроны внутри ядра.Вариация может происходить только в пределах определенные пределы, и имеет влияние на изменение массы конкретный атом. Например, кислород с 8 протонами в ядре может иметь 8, 9 или 10 нейтронов. Эти разные атомы, все с 8 протонами в ядро, но имеющее атомные массы 16, 17 и 18 (т. е. 16 О, 17 O и 18 O соответственно) — все изотопы кислорода.Термин изотоп применяется к любому атому в наборе атомов, имеющих тот же атомный номер, но различающиеся количеством нейтронов (т. е. их массой).

Поскольку изотопы имеют одинаковую химическую идентичность и внешний электрон конфигурации, они имеют схожие химические характеристики. Слегка различная масса, однако, означает, что разные изотопы элемента будут небольшие различия в свойствах, влияющих на реакцию или скорости реакции.Например, разные массы могут означать различаются энергиями связи или могут влиять на скорость, с которой изотопы диффундируют (распространяются) через вещество или в котором они участвуют в данной реакции. Из-за этих небольших различий и из-за того, что технология эволюционировала до состояния, при котором очень небольшие различия в изотопные составы могут быть измерены (например, пропорции 18 О, 17 O и 16 O), ученые могут использовать изотопы для определения конкретных реакций. и их нормы в природных водах.

Изотопные составы указаны относительно стандартного вещества. имеющий известное соотношение. Обычно передаточные числа, выраженные как тяжелые изотоп в более легкий изотоп (например, 18 O / 16 O) представлены как значения δ (дельта), где

δ = [Соотношение в выборке — Соотношение в стандарте] / [Соотношение в стандарте] × 1000

Значения дельты могут быть положительными или отрицательными в зависимости от того, имеет более высокое или более низкое изотопное соотношение, соответственно, чем стандартный (см. таблицу ниже).

Элемент Изотопное соотношение Стандарт
Водород (H) 2 H / 1 H или D / H Стандартное среднее значение морской воды в океане
Кислород (O) 18 O / 16 О Стандартное среднее значение морской воды в океане
Углерод (C) 13 C / 12 C Ископаемый белемнит из известняка формирование
Азот (N) 15 N / 14 N Атмосфера
Сера (S) 34 S / 32 S Минерал сульфид железа в каноне Метеорит Диабло

Изотопный состав кислорода (δ 18 O) в данном образце, следовательно, будет определяться следующим образом:

δ 18 О образец знак равно 18 O / 16 O) образец — ( 18 O / 16 O) морская вода ] / [( 18 O / 16 O) морская вода ] × 1000

Применение изотопов в гидрологии

Хотя изотопы встречаются в природе практически для всех элементов, те в исследованиях, связанных с водой, обычно используются для водорода (H), углерода (C), азот (N), кислород (O) и сера (S).Эти элементы очень распространены, а из-за их малой общей массы разница в массах изотопы данного элемента пропорционально велики. Как результат, небольшие изменения в окружающей среде могут привести к легко измеряемым разница в соотношении изотопов.

Изотопы применяются в нескольких категориях гидрологических исследований. К ним относятся отслеживание воды в гидрологическом цикле, палеотермометрия , определяя происхождение подземных вод, химическую среду водоносный горизонт , возраст грунтовых вод, а также отслеживание и идентификация источники загрязняющих веществ.Обычно наиболее важные факторы определения изотопного состава данного элемента являются источником (резервуар) элемента (например, атмосфера, морская вода, камни, органический материи), характеристики окружающей среды (например, температура, pH, окислительно-восстановительные условия ) и типы происходящих реакций (например, фотосинтез , растворение породы, окислительные реакции).

Изотопы кислорода и водорода и гидрологический цикл.

В гидрологическом цикле реакции испарения и конденсации отделить (фракционировать) тяжелые изотопы от легких изотопов элементы H и O. Водород имеет три встречающихся в природе изотопа, водород (H), дейтерий (D) и тритий (T), имеющие 0, 1 и 2 нейтрона в ядре соответственно. Кислород имеет три общих изотопа: 16 О, 17 O и 18 O, как описано выше.Когда вода испаряется, более легкие изотопы предпочтительно усиливается в паре. При конденсации пара в жидкость, верно обратное.

Происхождение подземных вод.

Связь между грунтовыми водами и метеорная вода было твердо установлено, когда было продемонстрировано, что большинство вод, будь то из колодца, из горячего источника или из гейзер , имел изотопный состав водорода и кислорода, который мог быть связан непосредственно к тенденции движения метеорных вод (установлено Крейгом [1961]).Это наблюдение подтвердило, что почти все подземные воды происходят из гидрологический цикл в виде осадков. Есть ли в ситуации хорошо вода из Висконсина, горячие источники из Орегона или гейзеры в Йеллоустоне Национальный парк, на Аляске или в Новой Зеландии, изотопный состав грунтовые воды указывают на то, что источником являются местные осадки.

Палеотемпература.

Сезонные корреляции между температурой и δ 18 O были признаны во многих местах по всему миру, в часть, потому что температура сильно влияет на испарение и конденсация.В результате δ 18 Осадки, обогащенные кислородом, встречаются в более теплых областях. Также влияет температура – ​​δ 18 O отношения — это такие факторы, как широта, континентальные эффекты и местные характеристики, такие как высота над уровнем моря и сезонные колебания.

Корреляция между температурой и δ 18 O в осадках зафиксирован в ледниковом льду.Шоу ледяных кернов чередующиеся слои, отражающие сезонные атмосферные температуры и также записывать долговременные колебания температуры. Эти данные позволяют ученые реконструируют климатические условия прошлого.

Изотопы углерода в подземных водах.

Углерод-13 (δ 13 C) предоставляет инструмент для определения происхождения углерода, либо как растворенный неорганический или органический углерод.Углерод может происходить из ряда источников (например, известняк, атмосферный CO 2 , растительное органическое вещество). Известняки — важные водоносные горизонты в мире. Они состоят из минерального кальцита (CaCO 3 ), который содержит большое количество неорганического углерода. Большая часть этого углерода имеет изотопный состав очень близок к стандартному (см. список внизу страницы 240), также известняк.Растворенный неорганический углерод (DIC) от атмосферного CO 2 имеет изотопный состав, отличный от ДИК из известняк и зависит от pH раствора.

Во время фотосинтеза изотопы углерода фракционируются в зависимости от тип растения и фотосинтетический цикл, которому оно следует. Когда эти растения разлагаются в процессе дыхания, они производят растворенные органический углерод (DOC) в виде гуминовых и фульвокислот.Δ 13 C DOC будет отражать конкретное растительное происхождение.

В качестве углерода, либо при взаимодействии DIC и DOC, результирующее δ 13 C раствора отражает различные резервуары углерода (например, известняк, зеленые растения), условия взаимодействия (например, pH и доступность CO 2 ), и типы участвующих реакций (например,г., растворение кальцита, фотосинтез, дыхание).

Изотопы азота.

Азот — это элемент, который участвует во многих биологических реакциях. Это часто попадает в окружающую среду в результате разложения органических иметь значение. Азот, как нитрат, представляет собой риск для здоровья, поскольку он связан с метгемоглобинемия («синдром голубого ребенка») у младенцев. Некоторые исследования также указывает на роль нитратов в некоторых случаях рака.

Загрязнение нитратами обычно происходит из двух разных источников: коммерческие удобрения и отходы жизнедеятельности человека или животных. Определение какой из этих двух источников нитратов пагубно повлиял на местные грунтовые воды в некоторых случаях могут быть устранены путем определения изотопный состав азота (δ 15 N) в нитрате. Коммерческое удобрение производится с использованием атмосферных удобрений. азот и, следовательно, имеет изотопный состав стандарта.Органические отходы, с другой стороны, теряют азот через аммиак (NH 3 ) потери, на которые преимущественно уходит более легкий изотоп азота ( 14 N). В результате нитраты, полученные из отходов жизнедеятельности человека (например, септических систем, отходы животноводства с откормочных площадок) имеет значительно более высокий δ 15 Н., Чем от товарных удобрений. На самом деле интерпретация может быть более сложной из-за денитрификации и смешивание более чем одного источника.

Изотопы углерода (из DOC отходов) и изотопы кислорода ( кислород в нитрате) используются для дальнейшего изучения нитрата загрязнение.

Изотопные составы многих других элементов, обычно встречающихся в Воды Земли предоставляют важную информацию, которая помогает указать как эти воды эволюционировали. Примеры таких «подсказок» включают источники таких элементов, как C, O, N, H и S; реакции которые распределяют их между разными молекулами; твердые и жидкие фазы; и экология параметры температуры, pH и окислительно-восстановительных условий.Важно отметить, что большинство вышеперечисленные элементы независимы друг от друга, обеспечивая средства проверки и уточнения гипотез эволюции воды.

Список используемой литературы

Кларк, Ян и Питер Фриц. Экологические изотопы в гидрогеологии. Нью-Йорк: Льюис Паблишерс, 1997.

Крейг, Хармон. «Изотопные вариации в метеорных водах». Наука. 133 (1961): 1702–1703.

Кендалл, Кэрол и Джеффри Дж. Макдоннелл, ред. Изотопные индикаторы в гидрологии водосбора. Нью-Йорк: Эльзевир, 1998.

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПНЫХ СООТНОШЕНИЙ

Небольшие различия в содержании изотопов кислорода, водорода, углерода, азот и сера измеряются с помощью прибора, называемого источником газа. масс-спектрометр.Масс-спектрометр измеряет разницу в соотношение тяжелого и легкого изотопа данного элемента, а не измерение фактическое изобилие.

В источнике масс-спектрометра образец, преобразованный в газ H 2 , N 2 , CO 2 , или так 2 , при необходимости, нагревается и ионизируется (получает положительный заряд удаление электрона — например, CO 2 + ).В источнике высокого вакуума молекулы неионизированного газа движутся в высокая скорость в электрическом потенциальном поле (от положительного до отрицательного заряд), сфокусированный в узкий луч и направленный в летную трубку (все еще в вакууме).

Сильное магнитное поле в летной трубе заставляет траекторию заряженные молекулы изгибаются. Величина изгиба пролета молекула зависит от ее массы и заряда. В результате молекулы содержащие различные изотопы (массы) элемента попадают в коллектор на конце пролетной трубы в разных местах, что позволяет отношение масс изотопов, подлежащих точному измерению.

субатомных частиц | Определение, примеры и классы

Делимый атом

Физическое изучение субатомных частиц стало возможным только в 20-м веке, с развитием все более сложных аппаратов для исследования материи в масштабах 10 −15 метров и меньше (что находится на расстояниях, сопоставимых с диаметром протона или нейтрона). Тем не менее, основная философия предмета, ныне известного как физика элементарных частиц, восходит как минимум к 500 г. до н.э., когда греческий философ Левкипп и его ученик Демокрит выдвинули идею о том, что материя состоит из невидимых мелких неделимых частиц, которые они назвали атомами.Более 2000 лет идея атомов в значительной степени игнорировалась, в то время как преобладала противоположная точка зрения, согласно которой материя состоит из четырех элементов — земли, огня, воздуха и воды. Но к началу XIX века атомная теория вещества вернула себе популярность, чему способствовали, в частности, работы Джона Далтона, английского химика, исследования которого показали, что каждый химический элемент состоит из своего собственного уникального вида атома. Таким образом, атомы Дальтона по-прежнему являются атомами современной физики. К концу столетия, однако, начали появляться первые признаки того, что атомы не неделимы, как предполагали Левкипп и Демокрит, а вместо этого содержат более мелкие частицы.

В 1896 году французский физик Анри Беккерель открыл радиоактивность, а в следующем году Ж.Дж. Томсон, профессор физики Кембриджского университета в Англии, продемонстрировал существование крошечных частиц, намного меньших по массе, чем водород, самый легкий атом. Томсон открыл первую субатомную частицу — электрон. Шесть лет спустя Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди, работающие в Университете Макгилла в Монреале, обнаружили, что радиоактивность возникает, когда атомы одного типа превращаются в атомы другого типа.Идея атомов как неизменных, неделимых объектов стала несостоятельной.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Основная структура атома стала очевидной в 1911 году, когда Резерфорд показал, что большая часть массы атома сосредоточена в его центре, в крошечном ядре. Резерфорд предположил, что атом похож на миниатюрную солнечную систему с легкими отрицательно заряженными электронами, вращающимися вокруг плотного положительно заряженного ядра, точно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.Датский теоретик Нильс Бор усовершенствовал эту модель в 1913 году, включив новые идеи квантования, разработанные немецким физиком Максом Планком на рубеже веков. Планк предположил, что электромагнитное излучение, такое как свет, возникает в виде дискретных пучков или «квантов» энергии, ныне известных как фотоны. Бор постулировал, что электроны вращаются вокруг ядра по орбитам с фиксированным размером и энергией и что электрон может перепрыгивать с одной орбиты на другую, только испуская или поглощая определенные кванты энергии.Таким образом, включив квантование в свою теорию атома, Бор ввел один из основных элементов современной физики элементарных частиц и вызвал более широкое признание квантования для объяснения атомных и субатомных явлений.

Модель атома Резерфорда

Физик Эрнест Резерфорд представил атом как миниатюрную солнечную систему с электронами, вращающимися вокруг массивного ядра, и в основном как пустое пространство, причем ядро ​​занимает лишь очень небольшую часть атома. Нейтрон не был открыт, когда Резерфорд предложил свою модель, в которой ядро ​​состояло только из протонов.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Размер

Субатомные частицы играют две жизненно важные роли в структуре материи. Они одновременно являются основными строительными блоками вселенной и строительным раствором, связывающим блоки. Хотя частицы, которые выполняют эти разные роли, относятся к двум различным типам, они имеют некоторые общие характеристики, главной из которых является размер.

Небольшой размер субатомных частиц, возможно, наиболее убедительно выражается не указанием их абсолютных единиц измерения, а путем сравнения их со сложными частицами, частью которых они являются.Например, размер атома обычно составляет 10 -10 метров в поперечнике, но почти весь размер атома — это незанятое «пустое» пространство, доступное электронам точечного заряда, окружающим ядро. Расстояние через ядро ​​атома среднего размера составляет примерно 10 −14 метров — всего лишь 1 / 10 000 диаметр атома. Ядро, в свою очередь, состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, вместе называемых нуклонами, а диаметр одного нуклона составляет около 10 −15 метров, то есть около 1 / 10. ядро ​​и 1 / 100000 атом.(Расстояние поперек нуклона, 10 −15 метров, известно как ферми в честь физика итальянского происхождения Энрико Ферми, который проделал большую экспериментальную и теоретическую работу по изучению природы ядра и его содержимого.)

Размеры атомов, ядер и нуклонов измеряются путем выстрела пучка электронов в соответствующую мишень. Чем выше энергия электронов, тем дальше они проникают, прежде чем будут отклонены электрическими зарядами внутри атома. Например, луч с энергией в несколько сотен электрон-вольт (эВ) рассеивается от электронов в атоме-мишени.Затем можно изучить способ рассеяния пучка (рассеяние электронов), чтобы определить общее распределение атомных электронов.

При энергиях в несколько сотен мегаэлектронвольт (МэВ; 10 6 эВ) электроны в пучке мало подвержены влиянию атомных электронов; вместо этого они проникают в атом и рассеиваются положительным ядром. Следовательно, если такой луч направлен на жидкий водород, атомы которого содержат только отдельные протоны в своих ядрах, картина рассеянных электронов показывает размер протона.При энергиях, превышающих гигаэлектронвольт (ГэВ; 10 9 эВ), электроны проникают внутрь протонов и нейтронов, и их картины рассеяния обнаруживают внутреннюю структуру.