Добрый вечер, просвещённые судари и сударыни!
Я познакомлю вас сегодня с элементарной частицей мироздания - с протоном и ради этого задам вам, дорогие мои читатели, самый простой вопрос,- что есть протон? Частица или волна, или то и другое?
При всей кажущейся простоте вопроса, ответить на его не так - то и легко. Поэтому прежде чем ответить на этот непростой вопрос, нам необходимо обратиться к справочным данным из интернета:
"Протон - стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.
В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906 - 1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона первые фотографии следов протона, одновременно подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах альфа-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.
Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента.
Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона.
Масса протона = (938,2796 ± 0,0027) МэВ или = 1,6;10 в минус 24 степени
грамм, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом - 1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами - глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия.
Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры = 10 * 10 в минус 13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.
Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так: сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия - протоны и электроны в атомах."
Источник: http://www.b-i-o-n.ru/theory/stroenie-fisicheskogvaku..
Из интернетного определения протона следует, что протон является элементарной частицей, поскольку он обладает физической массой и зарядом и оставляет трековый след в камере Вильсона. Однако согластно современным представлениям учёных, он не является истинной элементарной частицей из- за того, что состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, связанных между собой обменом другими гипотетическими частицами - глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия...
Получается следующий логический вывод: с одной стороны- он частица, а с другой стороны- обладает волновыми качествами.
Обратим наше особое внимание, уважаемые читатели, что сам протон был открыт косвенным путём при облучении альфа частицами (ядра гелия с высокими энергиями) атомов азота, то есть он был открыт в движении.
Кроме этого, уважаемые мыслители, протон по современным представлениям учёных представляет собой "яблоко в тумане" с размытой границей, состоящее из рождающихся и уничтожающихся виртуальных частиц.
И вот наступает момент истины, который заключается в неожиданном вопросе,- А что же происходит с протоном в движении с очень большими скоростями порядка скорости света?
На этот вопрос отвечает учёный Игорь Иванов на своей учёной странице "Какую форму имеет быстролетящий протон": http://elementy.ru/novosti_nauki/430940
Вот что он пишет: "Теоретические расчеты показывают, что протоны и ядра, движущиеся с околосветовой скоростью, имеют форму не плоского диска, а двояко-вогнутой линзы.
Микромир живет по законам, которые очень непохожи на законы окружающего нас мира. Многие наслышаны про волновые свойства вещества или про то, что вакуум в квантовой теории - вовсе не пустота, а бурлящий океан виртуальных частиц. Менее известно то, что само понятие «состава» сложных частиц является в микромире понятием относительным, зависящим от того, как вы на эту частицу посмотрели. А это, в свою очередь, влияет на «форму» составных частиц, например протона...
Протон - составная частица. Обычно говорят, что протоны состоят из кварков, скрепленных вместе глюонным полем, однако такое описание справедливо только для неподвижных или медленно движущихся протонов. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то намного корректнее его описывать в виде пронизывающих друг друга облаков кварков, антикварков и глюонов. Все вместе они называются «партоны» (от английского «part» - часть).
В квантовой теории количество партонов не фиксировано (это, в общем-то, относится ко всем частицам). Такой «закон несохранения» возникает из-за того, что каждый партон может расщепиться на два партона с энергией поменьше или, наоборот, два партона могут рекомбинировать - слиться в один. Оба этих процесса происходят постоянно, и в результате в быстролетящем протоне возникает некоторое динамически сбалансированное количество партонов. Причем это количество зависит от системы отсчета: чем больше энергия протона, тем больше в нём партонов.
В итоге получается несколько неожиданная картина, которая, на первый взгляд, даже противоречит теории относительности. Напомним, что в соответствии с теорией относительности продольный размер быстро движущихся тел сокращается. Например, шар (в своей системе покоя) выглядит сильно сплюснутым диском для быстро движущегося наблюдателя. Однако это «правило сплющивания» нельзя буквально переносить на протон, поскольку где в пространстве пролегает «граница протона» - зависит от системы отсчета.
С одной стороны, при переходе из одной системы отсчета в другую партонное облако действительно стремится сплющиться в согласии с теорией относительности. Но с другой стороны, при этом нарождаются новые партоны, которые как бы «восстанавливают» его продольный размер. В целом получается так, что протон - который является просто набором партонных облаков - вовсе не сплющивается с ростом энергии..."
Момент истины продолжается, мои дорогие мыслители! Он продолжается в неожиданных вопросах читателей автору Игорю Иванову, заданных при обсуждении его статьи " Какую форму имеет быстролетящий протон".
Я приведу вам не все из них, а только избранные ввиде вопросов и ответов:
Когда протон при высоких энергиях принимает форму "двояковыпуклой линзы", как это согласуется с неопределённостью Гезенберга?
Он именно из- за этого отношения принимает такую форму. Ближе к краю продольный импульс мягких глюонов меньше, так как продольная толщина больше.
Он вовсе не сжимается в гамма раз, а остаётся довольно "толстым."
Толстая волновая функция протона- это как?
2. Ответ учёного Игоря Иванова:
Разве это не понятно из контекста?! "Толстый" в противоположность "тонкому", то есть имеющий (относительно) большой продольный размер!
Я не о том спрашиваю! Я спрашиваю,- к чему вы приписываете геометрию? К волновым функциям? Или рассматриваете в виде волнового пакета и как-то пытаетесь его описать? Что такое размер для протона? Может, по- вашему, это какие-то свойства его дифференциального сечения или что?
4. Ответ учёного Игоря Иванова:
Зачем столько вопросительных знаков? Да, размер относится к волновой функции партонов, то есть к фурье образу распределения партонов по продольному импульсу. Я привёл ссылки, вы можете подробнее прочитать их.
"Да, размер относится к волновым функциям партонов",- может, всё таки протона, а не партонов?! Не знал, что волновая функция партонов- суть образ распределения партонов по продольному импульсу (здесь случаем нет тофтологии?!)
5. Ответ учёного Игоря Иванова:
Извините, но мне кажется,- вы уже троллите. Ссылеку я дал, теперь очередь за вами их изучить, если вас этот вапрос действительно интересует.
Вы правы- я тороллю, так как не совсем согласен с описанием протонов в виде "толстых" и "тонких."...
Я приведу вам, мои любопытные читатели ещё один из диалогов нового человека firtree c учёным Игорем Ивановым:
1. Вопрос нового человека:
В первых строках "продольный размер быстро летящего протона" вы подменяете размер частицы длинной волны или размером волнового пакета частицы. Это примерно тоже самое, что сказать, что электрон- не точечный, а имеет размеры порядка радиуса Бора, находясь в атоме водорода. В том числе, если взять покоящийся протон, его "продольные размеры" будут больше его же радиуса.
1. Ответ учёного Игоря Иванова:
Нет, я эти две вещи не путаю. Я говорю, что размер протона эквивалентен типичным длинам волн, составляющих его партонов. Это то же самое, что сравнивать размер атома водорода и типичные длины волн электрона, а не длину атома целиком, которая может быть много больше своего размера.
К покоящемуся протону переходить нельзя, описание не годится.
2. Размышление нового человека:
Я говорю, что размер протона эквивалентен длинам волн составляющих его партонов. Это то же самое, что сравнивать размер атома водорода и типичные длины волн электрона, а не длину атома целиком, которая может быть много больше своего размера.
Вот это и настараживает. Если длина волны атома целиком велика, много больше размеров атома, то и длина волны электрона в составе атома также велика.
Для оценки размеров атома используется другой метод, который называется "переход в систему отсчёта центра масс". Разумеется, речь идёт о взятии оператора разности пары частиц, составляющих систему (Ядро- электрон).
Когда длина волны атома целиком велика, волны электрона и ядра, рассмотренные по отдельности, сильно коррелированы, так что такая разность (среднее значение) оказывается нисколько не похожей на длину волны электрона, рассмотренного самого по себе. Аналогично для партонов должна оцениваться разность координат.
3. А сейчас я приведу вам, мои дорогие читатели, заключительный вывод другого человека, подключившегося к беседе с учёным Игорем Ивановым:
Вопрос: Что же такое частица? Почему её нельзя описать полностью в "инвариантных терминах",- например, таких как заряд, симметрия, сечение рассеивания?
Получается, что структура частицы это результат промежуточных вычислений и смущает не экспериментальная её ненаблюдаемость, а принципиальное отсутствие физического смысла, поскольку она, структура, не присуща самой частице и меняется при смене системы отсчёта наблюдателя.
Имеет ли смысл вообще говорить в таком случае, что протон состоит из чего- либо, это скорее всего - удобный вычислительный трюк...
Кроме этого, я поражаюсь тому, как возможно, что из инвариантных уравнений квантовой теории поля получаются неинвариантные сущности, вроде структуры частицы?!
Уважаемые судари и сударыни! Прочитав предубеждения современных учёных о строении протона и прослушав беседы с учёным Игорем Ивановым я пришел к следующим неизгладимым выводам:
1. Протон не состоит из из двух u-кварков и одного d-кварка, связанных между собой обменом другими гипотетическими частицами - глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия.
2. Состав протона придумали сами учёные ради своих собственных умозаключений и вычислительных трюков.
3. Мы не можем ответить на самый простой вопрос мироздания,-
Что же такое частица протон? И не можем проникнуть в его тайну, поскольку зациклились в дебрях неверной теории- Квантовой Теории Поля, которая не может объяснить самого главного:
4. Каким образом полу- частица протон становиться пакетом полу- волн?
И что происходит со временем в час перехода полу- частицы в пакет полу- волн?
5. Мы забыли о самом времени, о его искривлении в час перехода из трёхмерного мира в многомерный мир.
Он частица иль волна?
Видно глюки у меня
Появилися не зря
После слов глюон любави
У протона на крови?
Говорит учёный свет,-
Мол, протон - любви привет,
В нём три кварка и глюон,
Что скрепляет их поклон.
Он в покое не сидит,
А как яблоко дрожит
И туманом пьяных глаз
Водит за нос часто нас.
А когда примет на грудь
Стопочку свою чуть- чуть,
То летит потоком в свет
Передать друзьям портрет.
Он рисунок не простой,
Чертит новою мечтой,
С вогнутостью линз в очах,
С дерзким словом, в дерзких снах.
Он и здесь и там, и тут.
Его люди не поймут,
Потому что в их мозгах
Прозябает детский страх.
Только тот, кто сердцем чист,
Скинет в безну знанья лист,
Примет сердцем свой протон
И познает счастья тон...
Примечание: Красота обновлённого протона взята из обновлённых мозгов интернета.
Протон - стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода. Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906 - 1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, одновременно подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах а-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.
Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента (см. Периодическая система химических элементов).
Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10 -21 . Масса протона m p = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ≈1,6 10 -24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами - глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ≈10 -13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.
Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так, сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия - протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона n → р + е - + ν e или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино p → n + е + + ν e (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу).
Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами (от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (Δ, Σ, Ξ, Ω) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число - барионный заряд, равный 1 для барионов, -1 - для антибарионов и 0 - для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 10 32 лет.
В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий (см. Единство сил природы), предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона (например, p → π° + е +). Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 10 32±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной (≈2 10 10 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ≈10 32 лет в объеме воды в 100 м 3 (1 м 3 содержит ≈10 30 .протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается «всего лишь» зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.
Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы - протона.
Диаметр ядра атома равен примерно 10-13 - 10-12 см и составляет 0,0001 диаметра атома. Однако, практически вся масса атома (99,95-99,98%) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100-200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.
Протон - элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721 х 10-27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66 х 10-19 Кл. Кулон - единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).
Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, если в ядре один протон - это водород, если 26 протонов - это железо. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).
Нейтрон - электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х 10-27кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии - нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой - А). Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A - Z.
Электрон - элементарная частица, носитель наименьшей массы - 0,91095х10-27г и наименьшего электрического заряда - 1,6021х10-19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.
Позитрон - элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.
Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид - вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом):
, Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами
. Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.
Обозначают символом соответствующего химического элемента с расположенным сверху слева индексом А - массовым числом, иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Например, радиоактивные изотопы фосфора обозначают 32Р, 33Р или Р и Р соответственно. При обозначении изотопа без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, например, фосфор - 32, фосфор - 33.
Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов. Кроме изотопа водорода 1Н-протия, известен тяжелый водород 2Н-дей-терий и сверхтяжелый водород 3Н-тритий. У урана 11 изотопов, в природных соединениях их три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протона и соответственно 146,143 и 141 нейтрон.
В настоящее время известно более 1900 изотопов 108 химических элементов. Из них к естественным относятся все стабильные (их примерно 280) и естественные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Остальные относятся к искусственным, они получены искусственным путем в результате различных ядерных реакций.
Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента, например, углерода 12С и 14С. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, рекомендуется использовать термин «нуклиды», например, радионуклиды 90Sr, 131J, 137Cs.
Электроны двигаются вокруг ядра по круговым орбитам, подобно Земле, вращающейся вокруг Солнца. Электроны могут переходить между этими уровнями, и когда они это делают, они либо поглощают фотон, либо испускают фотон. Каков размер протона и что это такое?
Главный строительный элемент видимой Вселенной
Протон является основным строительным блоком видимой Вселенной, но многие его свойства, такие как радиус заряда и его аномальный магнитный момент, не совсем понятны. Что такое протон? Это субатомная частица с положительным электрическим зарядом. До недавнего времени протон считался наименьшей частицей. Однако благодаря новым технологиям стал известен тот факт, что протоны включают в себя еще более маленькие элементы, частицы, называемые кварками, истинными фундаментальными частицами материи. Протон может образовываться в результате неустойчивого нейтрона.
Заряд
Каким электрическим зарядом обладает протон? Он имеет заряд +1 элементарного заряда, который обозначается буквой "e" и был открыт в 1874 году Джорджем Стоуни. В то время как протон имеет положительный заряд (или 1e), электрон имеет отрицательный заряд (-1 или -e), а нейтрон вовсе не имеет заряда и может обозначаться 0e. 1 элементарный заряд равен 1,602 × 10 -19 кулонов. Кулон представляет собой тип единицы электрического заряда и является эквивалентом одному амперу, который неуклонно транспортируется в расчете на одну секунду.
Что такое протон?
Все, чего вы можете коснуться и чувствовать, состоит из атомов. Размер этих крошечных частиц внутри центра атома очень маленький. Хотя они составляют большую часть веса атома, но они все же очень малы. Фактически, если бы атом был размером с футбольное поле, каждый из его протонов был бы только размером с муравья. Протоны не должны ограничиваться ядрами атомов. Когда протоны находятся за пределами атомных ядер, они приобретают увлекательные, причудливые и потенциально опасные свойства, аналогичные свойствам нейтронов в подобных обстоятельствах.
Но протоны обладают дополнительным свойством. Поскольку они несут электрический заряд, их можно ускорить электрическими или магнитными полями. Высокоскоростные протоны и атомные ядра, содержащие их, выделяются в больших количествах во время солнечных вспышек. Частицы ускоряются магнитным полем Земли, вызывая ионосферные возмущения, известные как геомагнитные бури.
Число протонов, размер и масса
Количество протонов делает каждый атом уникальным. Например, у кислорода их восемь, у водорода всего один, а у золота - целых 79. Это число похоже на тождество элемента. Вы можете многое узнать об атоме, просто зная число его протонов. Эта найденная в ядре каждого атома, имеет положительный электрический заряд, равный и противоположный электрону элемента. Если бы он был изолирован, то имел бы массу всего около 1,673 -27 кг, чуть меньше массы нейтрона.
Число протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свое уникальное тождество. В атомах какого-либо конкретного элемента число протонов в ядрах всегда одно и то же. Атом простого водорода имеет ядро, которое состоит всего из 1 протона. Ядра всех других элементов почти всегда содержат нейтроны в дополнение к протонам.
Насколько велик протон?
Никто этого точно не знает, и это проблема. В экспериментах использовались модифицированные атомы водорода, чтобы получить размер протона. Это субатомная тайна с большими последствиями. Спустя шесть лет после того, как физики объявили о слишком малом измерении размера протона, ученые все еще не уверены касательно истинного размера. С появлением новых данных тайна становится все более глубокой.
Протоны - частицы, находящиеся внутри ядра атомов. В течение многих лет радиус протона казался закрепленным на отметке примерно в 0,877 фемтометров. Но в 2010 году Рэндольф Пол из из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, получил тревожный ответ, используя новую методику измерения.
Команда изменила один протон, один электронный состав атома водорода, переключив электрон на более тяжелую частицу, называемую мюоном. Затем они заменили этот измененный атом лазером. Измерение полученного изменения их энергетических уровней позволило им рассчитать размер его протонного ядра. К их удивлению, он вышел на 4 % меньше, чем традиционное значение, измеряемое другими средствами. В эксперименте Рэндольфа также применили новую методику к дейтерию - изотопу водорода, имеющему один протон и один нейтрон, все вместе известный как дейтрон, - в его ядре. Однако точное вычисление размера дейтрона занимало много времени.
Новые эксперименты
Новые данные показывают, что проблема радиуса протонов не исчезает. Еще несколько экспериментов в лаборатории Рэндольфа Пола и других уже ведутся. Кто-то прибегает к той же технике мюона для измерения размера более тяжелых атомных ядер, таких как гелий. Другие одновременно измеряют рассеяние мюонов и электронов. Пол подозревает, что виновником может быть не сам протон, а неправильное измерение константы Ридберга, число, которое описывает длины волн света, испускаемого возбужденным атомом. Но эта константа хорошо известна благодаря другим прецизионным экспериментам.
В другом объяснении предлагаются новые частицы, которые вызывают неожиданные взаимодействия между протоном и мюоном, не меняя его связи с электроном. Это может означать, что головоломка выводит нас за рамки стандартной модели физики частиц. «Если в какой-то момент в будущем кто-то обнаружит что-то помимо стандартной модели, это будет так», - говорит Пол, с первым небольшим расхождением, затем с другим и другим, медленно создавая более монументальный сдвиг. Какой истинный размер протона? Новые результаты бросают вызов базовой теории физики.
Рассчитав влияние радиуса протона на траектории пролета, исследователи смогли оценить радиус частицы протона, который составил 0,84184 фемтометра. Ранее этот показатель был на отметке от 0,8768 до 0,897 фемтометра. При рассмотрении таких крошечных количеств всегда существует вероятность ошибки. Однако после 12 лет кропотливых усилий члены команды уверены в точности своих измерений. Теория может нуждаться в некоторой доработке, но каким бы ни был ответ, физики еще долго будут почесывать головы, решая эту сложную задачу.
Дам свой вариант ответа.
Протон, электрон и другие частицы - это очень-очень-оооочень маленькие частицы. Можно представлять их, например, как круглые пылинки (хотя это будет не совсем точно, но это лучше, чем вообще никак). Такие маленькие, что невозможно просто так рассмотреть одну такую пылинку. Всё вещество, всё что мы видим, всё что можем потрогать - совершенно всё состоит из этих частиц. Земля состоит из них, воздух из них, Солнце из них, человек из них.
Люди всегда хотели разобраться, как весь мир устроен. Из чего он состоит. Вот у нас есть горстка песка. Очевидно, что песок состоит из песчинок. А из чего состоит песчинка? Песчинка - это прочно слипшийся комочек, очень маленький камешек. Оказалось, что песчинку можно разделить на части. А если эти части ещё раз разделить на более мелкие части? А потом ещё раз? Можно ли, в конце-концов, найти что-такое, что уже нельзя будет разделить?
Люди, действительно, обнаружили, что в конечном счёте всё состоит из "пылинок", которые уже нельзя просто так разделить. Эти пылинки назвали "молекулами". Есть молекула воды, есть молекула кварца (кстати, песок, в основном, состоит из кварца), есть молекула соли (той, которую мы едим) и очень много разных других молекул.
Если же попытаться разделить, например, молекулу воды на части, то окажется, что составляющие части ведут себя уже совсем не как вода. Люди назвали эти части "атомами". Оказалось, что вода всегда разделяется на 3 атома. При этом 1 атом - это кислород, а другие 2 атома - это водород (их в воде 2 штуки). Если соединить любой атом кислорода с любыми 2 атомами водорода - опять будет вода.
При этом из кислорода и водорода можно кроме воды сделать и другие молекулы. Например, 2 атома кислорода легко соединяются друг с другом в такой "двойной кислород" (называется "молекула кислорода"). Такого кислорода очень много в нашем воздухе, мы им дышим, он нам нужен для жизни.
То есть оказалось, что у молекул есть "части", которые должны работать вместе, чтобы получился нужный результат. Это, например, как игрушечная машинка. У машинки, допустим, должна быть кабина и 4 колеса. Только когда они все вместе собраны - это машинка. Если же чего-то не хватает, то это уже не машинка. Если же вместо колёс поставить гусеницы - то будет вообще не машина, а танк (ну почти). Так и с молекулами. Чтобы была вода, она обязательно должна состоять из 1 кислорода и 2 водорода. Но по отдельности - это не вода.
Когда люди поняли, что все молекулы состоят из разного набора атомов, это людей обрадовало. Поизучав атомы, люди увидели, что в природе существует всего лишь около 100 разных атомов. То есть, люди узнали что-то новое о мире. Что всё-всё, что мы видим - это всего лишь 100 разных атомов. Но из-за того, что они соединены по разному, получается огромное разнообразие молекул (миллионы, миллиарды и даже больше разных молекул).
Можно ли взять и разделить какой-нибудь атом? Теми средствами, которые существовали в средневековье, разделить атом было невозможно. Поэтому какое-то время считалось, что атом разделить нельзя. Считалась, что "атомы" - это самые маленькие частицы, из которых состоит весь мир.
Однако, в итоге, атом разделить удалось. И обнаружилось (самое чудесное), что с атомами та же ситуация. Оказалось, что все 100 (их немного больше 100, на самом деле) разных атомов распадаются на всего лишь 3 разных вида частиц. Всего 3! Оказалось, что все атомы - это набор из "протонов", "нейтронов" и "электронов", которые соединены в атоме определённым образом. Разное количество этих частиц, будучи соединёнными вместе, дают разные атомы.
Есть чему радоваться: человечество докопалось до понимания, что всё-всё многообразие мира - это всего лишь 3 элементарные частицы.
А можно ли разделить какую-нибудь элементарную частицу? Например, можно ли разделить протон? Сейчас считается, что частицы (например, протон) тоже состоят из частей, которые назвали "кварки". Но, насколько я знаю, до сих пор ни разу не удалось отделить "кварк" от частицы, чтобы "посмотреть", что же это такое, когда оно находится отдельно, само по себе (а не в составе частицы). Похоже, что кварки не могут (или же очень не хотят) существовать иначе, кроме как внутри частицы.
Так что на данный момент протон, нейтрон и электрон - это самые маленькие части нашего мира, которые могут существовать отдельно, и из которых всё состоит. Это действительно, впечатляет.
Правда, радость длилась не очень долго. Потому что оказалось, что кроме протона, нейтрона и электрона существует множество других разновидностей частиц. Однако, в природе они почти никогда не встречаются. Не замечено, чтобы что-то большое в природе было построено из иных частиц, нежели чем протон, нейтрон и электрон. Но известно, что эти другие частицы можно получить искусственно, если несколько частиц разогнать до умопомрачительных скоростей (около миллиарда километров в час) и стукнуть ими по другим частицам.
Об устройстве атома.
Теперь можно немножко поговорить об атоме и его частицах (протонах, нейтронах, электронах).
Чем отличаются разные частицы? Протон и нейтрон - тяжёлые. А электрон - лёгкий. Конечно, поскольку все частицы очень маленькие - они все очень лёгкие. Но электрон, если не ошибаюсь, в тысячу раз легче, чем протон или нейтрон. А протон и нейтрон зато очень похожи по массе. Почти точь в точь (с чего бы? может быть, это не случайно?).
Протоны и нейтроны в атоме всегда соединяются вместе и образуют этакий "шарик", который называют "ядром". А вот электронов в ядре никогда не бывает. Вместо этого электроны вращаются вокруг ядра. Для наглядности часто говорят, что электроны вращаются вокруг ядра "как планеты вокруг Солнца". На самом деле, это не совсем так. Это примерно настолько же правда, насколько детский мультик похож на реальную жизнь. Вроде бы почти одинаково, но в реальности всё гораздо сложнее и непонятнее. В общем, 5-класснику полезно будет представить что электроны "летают вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца". А потом где-нибудь в 7-9 классе можно будет прочитать про чудеса квантового микро-мира. Там ещё более чудесные чудеса, чем в Алисе в Стране Чудес. В том смысле, что там (на уровне атомов) всё происходит не так, как мы привыкли.
Также несколько электронов можно отделить от атома без очень уж больших усилий. Тогда получится атом без нескольких электронов. Эти электроны (их тогда называют "свободные электроны") будут летать сами по себе. Кстати, если взять много свободных электронов - получится электричество, с помощью которого в 21-м веке работает почти всё классное:).
Итак, протоны и нейтроны - тяжёлые. Электрон - лёгкий. Протоны и нейтроны - в ядре. Электроны - крутятся вокруг или же летают где-то сами по себе (обычно, немного полетав, они прицепляются к другим атомам).
А чем протон отличается от нейтрона? В целом они очень похожи, за исключением одной важной штуки. Протон имеет зяряд. А нейтрон - не имеет. Электрон, кстати, тоже имеет заряд, но другого типа...
А что такое "заряд"? Ну... Я думаю, что на этом вопросе нам лучше остановиться, потому что нужно же где-то остановиться.
Если ты захочешь узнать подробности, пиши, я отвечу. А пока что, я думаю, и этой информации на первый раз очень много.
Текста, в итоге, всё равно много и я не знаю, стоит ли уменьшать объём текста.
Причём, текст этот намного более научный. Тот, кто сумел осилить первую часть про элементарные частицы и не потерял интерес к физике, я надеюсь, сумеет осилить и этот текст.
Я разделю текст на множество частей, так его будет проще читать.
Ответить
Ещё 16 комментариев
Итак, про заряд.
В ходе внимательного изучения разных вариантов взаимодействия между разными предметами (включая и элементарные частицы) выяснилось, что всего существует 3 типа взаимодействия. Их назвали: 1) гравитационное, 2) электромагнитное и 3) ядерное.
Давайте для начала поговорим немного о гравитации. Люди много лет наблюдали в телескоп за движением планет и комет в Солнечной системе. Из этих наблюдений Ньютон (легендарный физик прошлых веков) сделал вывод, что все объекты в Солнечной системе притягивают друг-друга на расстоянии, и вывел знаменитый "закон всемирного тяготения".
Этот закон можно записать в таком виде: "Для любых 2 объектов можно посчитать силу их взаимного притяжения. Для этого нужно массу одного объекта умножить на массу другого объекта, затем получившийся результат нужно два раза поделить на расстояние между ними".
Можно записать этот закон в виде уравнения:
масса1 * масса2: расстояние: расстояние = сила
В этом уравнении значок * (значок звёздочки) обозначает умножение, значок: обозначает деление, "масса1" - это масса одного тела, "масса2" - масса второго тела, "расстояние" - это расстояние между этими двумя телами, "сила" - это сила, с которой они будут притягиваться друг к другу.
(Я предполагаю, что пятиклассники не знают, что такое "возведение в квадрат", поэтому я заменил квадрат расстояния на то, что будет понятно пятикласснику.)
Что интересного видно в этом уравнении? Например, то, что сила притяжения сильно зависит от расстояния между объектами. Чем больше расстояние - тем слабее сила. В этом легко убедиться. Например, посмотрим на такой пример: масса1 = 10, масса2 = 10, расстояние = 5. Тогда сила будет равна 10 * 10: 5: 5 = 100: 5: 5 = 20: 5 = 4. Если же при тех же массах расстояние = 10, то сила будет равна 10 * 10: 10: 10 = 1. Мы видим, что когда расстояние увеличилось (с 5 до 10), сила притяжения уменьшилась (с 4 до 1).
Ответить
Что такое "масса"?
Мы знаем, что всё в мире состоит из элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов). И эти элементарные частицы являются носителями массы. Электрон, правда, имеет совсем маленькую массу по сравнению с протоном и нейтроном, но масса у электрона всё равно есть. А вот у протона и нейтрона масса вполне заметная. Почему Земля имеет большую массу (600000000000000000000 килограмм), а я - маленькую (65 килограмм)? Ответ очень прост. Потому что Земля состоит из очень-очень большого количества протонов и нейтронов. Кстати, поэтому и незаметно, что я что-то к себе притягиваю - слишком маленькая масса. Но вообще-то я притягиваю. Только очень-очень-очень слабо.
Итак, люди обнаружили, что масса существует даже у элементарных частиц. И масса позволяет частицам притягивать друг-друга на расстоянии. Но что такое масса? Как она работает? Как нередко (и даже очень часто) бывает в науке, эта загадка до конца не разгадана. Пока что мы знаем только то, что масса находится "внутри частиц". И знаем, что масса остаётся неизменной до тех пор, пока сама частица остаётся неизменной. То есть, у всех протонов одинаковая масса. У всех нейтронов - одинаковая. И у всех электронов - одинаковая. При этом у протона и электрона они очень похожи (хотя и не точно-точно равны), а у электрона масса намного меньше. И не бывает такого, чтобы, например, нейтрон имел массу как у электрона или наоборот.
Ответить
Об электромагнитном взаимодействии.
И о зарядах. Наконец-то.
Внимательные наблюдения показали, что одного только закона всемирного тяготения недостаточно для объяснения некоторых взаимодействий. Должно быть что-то ещё. Вот взять даже обычный магнит (точнее 2 магнита). Во-первых, нетрудно заметить, что небольшой магнит массой, допустим, в 1 килограмм, притягивает другой магнит гораздо-гораздо сильнее, чем я. Если верить закону всемирного тяготения, то мои 65 килограмм должны притягивать магнит в 65 раз сильнее - но нет. Магнит совсем не хочет ко мне притягиваться. А вот к другому магниту - хочет. Как это объяснить?
Другой вопрос. Почему магнит притягивает к себе только некоторые предметы (например, железки, а также другие магниты), а остальные - не замечает?
И ещё. Почему магнит притягивает другой магнит только с определённой стороны? И, самое удивительное, что если подставить магнит противоположной стороной, то окажется, что 2 магнита вовсе не притягиваются, а наоборот - отталкиваются. При этом легко заметить, что они отталкиваются с той же силой, с какой они до этого притягивались.
Закон всемирного тяготения говорит только о притягивании, но ничего не знает об отталкивании. Значит, должно быть что-то ещё. Что-то, что в одних случаях предметы притягивает, а в других - отталкивает.
Вот эту силу назвали "электромагнитным взаимодействием". Для электромагнитного взаимодействия тоже есть свой закон (называется "закон Кулона", в честь Шарля Кулона, который открыл этот закон). Очень интересно то, что общий вид этого закона почти точно такой же, как и у закона всемирного тяготения, только вместо "масса1" и "масса2" там "заряд1" и "заряд2".
заряд1 * заряд2: расстояние: расстояние = сила
"заряд1" - это заряд первого объекта, "заряд2" - заряд второго объекта.
А что такое "заряд"? Говоря по правде, никто этого не знает. Также как никто точно не знает, что такое "масса".
Ответить
Загадочные заряды.
Пытаясь разобраться, люди дошли до элементарных частиц. И обнаружили, что у нейтрона есть только масса. То есть, нейтрон участвует в гравитационном взаимодействии. А в электромагнитном взаимодействии он не участвует. То есть, заряд нейтрона равен нулю. Если взять закон Кулона и подставить ноль вместо одного из зарядов, то сила будет тоже равна нулю (нет силы). Так и ведёт себя нейтрон. Нет электромагнитной силы.
У электрона масса очень слабая, поэтому в гравитационном взаимодействии он участвует очень мало. Зато электрон сильно отталкивает (отталкивает!) другие электроны. Это потому что у него есть заряд.
У протона есть и масса и заряд. И протон тоже отталкивает другие протоны. Если есть масса - значит, он притягивает к себе все частицы. Но одновременно с этим протон отталкивает другие протоны. Причём электромагнитная сила отталкивания гораздо сильнее, чем гравитационная сила притяжения. Поэтому отдельные протоны будут улетать друг от друга прочь.
Но это ещё не вся история. Электромагнитная сила может не только отталкивать, но и притягивать. Протон притягивает электрон, а электрон притягивает протон. При этом можно провести эксперимент и обнаружить, что сила притягивания между протоном и электроном равна силе отталкивания между двумя протонами и также равна силе отталкивания между двумя электронами.
Из этого мы можем сделать вывод, что заряд протона равен заряду электрона. Но по какой-то причине 2 протона друг-друга отталкивают, а протон и электрон - притягиваются. Как это может быть?
Ответить
Разгадка зарядов.
Разгадка, оказывается, в том, что масса-то у всех частиц всегда больше нуля. А вот заряд может быть и больше нуля (протон) и равен нулю (нейтрон) и меньше нуля (электрон). Хотя, по правде говоря, можно было бы назначить так, что, наоборот, у электрона заряд больше нуля, а у протона - меньше нуля. Это было неважно. Важно то, что у протона и у электрона заряды противоположны.
Давайте для примера измерять заряды в "протонах" (то есть, 1 протон имеет силу заряда, равную 1). И определим силу, взаимодействия между двумя протонами на каком-нибудь расстоянии (будем считать, что расстояние = 1). Подставляем числа в формулу и получаем 1 * 1: 1: 1 = 1. Теперь давайте измерим силу взаимодействия между электроном и протоном. Мы знаем, что заряд электрона равен заряду протона, но имеет противоположный знак. Раз у нас заряд протона равен 1, то заряд электрона должен быть равен -1. Подставляем. -1 * 1: 1: 1 = -1. Мы получили -1. Что означает знак "минус"? Он означает, что силу взаимодействия нужно изменить в противоположную сторону. То есть, сила отталкивания стала силой притягивания!
Ответить
Подводим итоги.
Между 3 наиболее распространёнными элементарными частицами существуют заметные различия.
Нейтрон имеет только массу, а заряда не имеет.
Протон имеет и массу и заряд. При этом заряд протона считается положительным.
Электрон имеет маленькую массу (примерно в 1000 раз меньше, чем у протона и нейтрона). Но имеет заряд. При этом заряд равен заряду протона, только с противоположным знаком (если считать, что у протона "плюс", значит у электрона - "минус").
При этом обычный атом ничего не притягивает и не отталкивает. Почему? Это уже просто. Представим какой-нибудь обычный атом (например, атом кислорода) и один свободный электрон, который летает рядом с атомом. Атом кислорода состоит из 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. Вопрос. Должен ли этот свободный электрон притягиваться к атому или же он должен отталкиваться? У нейтронов заряда нет, поэтому их мы пока проигнорируем. Электромагнитная сила между 8 протонами и 1 электроном равна 8 * (-1) : 1: 1 = -8. А электромагнитная сила между 8 электронами в атоме и 1 свободным электронам равна -8 * (-1) : 1: 1 = 8.
Получается, что сила действия 8 протонов на свободный электрон равна -8, а сила действия электронов равна +8. В сумме это получается 0. То есть, силы равны. Ничего не происходит. В итоге говорят, что атом "электрически нейтрален". То есть, он не притягивает и не отталкивает.
Конечно, остаётся ещё сила гравитации. Но у электрона масса очень мала, поэтому гравитационное взаимодействие с атомом очень мало.
Ответить
Заряженные атомы.
Мы помним, что приложив немного усилий, мы можем оторвать более далёкие от ядра электроны. В этом случае у атома кислорода будет, например, 8 протонов, 8 нейтронов и 6 электронов (2 мы оторвали). Атомы, в которых недостаёт (или, наоборот, слишком много) электронов, называются "ионы". Если мы сделаем 2 таких атома кислорода (убрав по 2 электрона из каждого атома), они будут друг-друга отталкивать. Подставим в закон Кулона: (8 - 6) * (8 - 6) : 1: 1 = 4. Мы видим, что получившееся число больше нуля, значит ионы будут отталкиваться.
