Как найти энергию покоя нейтрона

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. 

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте. 

Как быстро и эффективно исправить почерк?  Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью. 

Основные константы

Элементарный заряд — е= 1,60219 • 10^-19 Кл

Масса покоя электрона — m_е = 9,1095 • 10^-31 кг = 5,486 • 10^-4 а. е. м.

Масса покоя протона — m_р = 1,6726 • 10^-27 кг = 1,00728 а. е. м.

Масса покоя нейтрона — m_n = 1,6749 • 10^-27 кг = 1,00867 а. е. м.

Скорость света в вакууме — с = 2,9979 • 10⁸ м/с

Гравитационная постоянная — G = 6,672 • 10^-11 Н • м²/кг²

Электрическая постоянная — ε₀ = 8,854 • 10^-12 Ф/м

Постоянная Авогадро — N_A = 6,022 • 10²³ моль^-1

Постоянная Больцмана — k = 1,3807 • 10^-23 Дж/К

Постоянная Планка — h = 6,626 • 10^-34 Дж • с = 4,136 • 10^-15 эВ • с

h= h/2π = 1,055 • 10^-34 Дж • с = 6,59 • 10^-16 эВ • с

Производные от основных констант

Коэффициент взаимосвязи массы и энергии —

с² = E/m = 8,9874 • 10¹⁶ Дж/кг = 931,5 МэВ/а. е. м.

(1 а. е. м. = 1,66057 • 10^-27 кг; 1 МэВ = 1,60219 • 10^-13 Дж)

Энергия покоя электрона — Е_0е = m_ес² = 8,187 • 10^-14 Дж = 0,511 МэВ

Энергия покоя протона — Е_0р = m_рс² = 1,503 • 10^-10 Дж = 938,26 МэВ

Энергия покоя нейтрона — Е_0n = m_nс² = 1,505 • 10^-10 Дж = 939,55 МэВ

Отношение заряда электрона к его массе – e/m_e = 1,759 • 10¹¹ Кл/кг

Постоянная Фарадея — F = eN_A = 9,648 • 10⁴ Кл/моль

Молярная газовая постоянная — R = kN_A = 8,314 Дж/(моль • К)

Энергия

В статье представлены соображения о квантовом смысле энергии, а также о строении элементарных частиц.

Энергия

В статье представлены соображения о квантовом смысле энергии, а также о строении элементарных частиц.

При анализе явлений, происходящих при торможении быстрых заряженных элементарных частиц, а также взаимодействие частиц между собой и магнитным полем напрашиваются некоторые соображения. 

Мир состоит из двух видов энергии: положительной – известная устойчивая элементарная частица протон и отрицательной – известная устойчивая элементарная частица электрон. Известны их античастицы: у протона – это антипротон, а у электрона – позитрон. Так называемый «заряд частицы» обозначает только принадлежность к одному из этих двух видов энергии. Разница между этими двумя видами энергии только в том, как они взаимодействуют с квантами своего вида энергии и квантами другого вида энергии. Можно назвать эти два вида энергии, как принято в китайской философии – инь и ян, черная и белая. Но принято присваивать протону цифровой заряд +1, а электрону -1.

Протон и позитрон одновременно являются и стабильными квантами магнитного поля. 

Антипротон и электрон – это стабильные кванты аналога магнитного поля, назовём его электронным полем или полем электрона.

Так как наш мир – это протонный мир, то электронного поля не наблюдается.

Элементарная частица состоит из множества квантовых уровней (Рис. 1). Квантовый уровень – это траектория, по которой движется составляющая квантового уровня. Размер частицы определяется по внутреннему, самому первому основному квантовому уровню, и вся энергия элементарной частицы сосредоточена именно в нём. Чем меньше диаметр первого внутреннего квантового уровня, тем больше энергия частицы. Траектория внутреннего квантового уровня никогда не выходит за пределы границ траектории ближнего к нему квантового уровня. То есть, внутри одного квантового уровня, он может сдвигаться в любую сторону. Если квант энергии и вступает во взаимодействие, то только своими внешними квантовыми уровнями. В то же время энергию теряет вся элементарная частица. Диаметр первого внутреннего уровня увеличивается. 

Частицы одного вида энергии, при определённых обстоятельствах, могут обмениваться внешними квантовыми уровнями, а значит и энергией. Иначе как частица может управлять своими внешними уровнями, находящимися на расстоянии тысячи световых лет?

Нужно отличать свободную частицу от несвободной. Свободная частица имеет бесконечное количество квантовых уровней. Несвободная частица – это частица, которая в той или иной степени связана с частицами другого вида энергии. Большинство частиц в окружающем нас мире несвободны.

Энергия квантового уровня определяется частотой движения составляющей квантового уровня по окружности. А энергия всей частицы определяется частотой движения составляющей первого (главного) уровня. Можно принять это как вращение всей частицы. Направление вращения или «спин» определяется только при поступательном движении частицы. Вращение может быть, как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки к направлению движения (Рис. 2).

Частота частицы зависит от скорости движения составляющей квантового уровня и радиуса квантового уровня:

где E –энергия квантового уровня, ω — частота кругового движения составляющей квантового уровня,v – скорость движения составляющей квантового уровня, r – радиус квантового уровня, а  h = 6,626 × 10^–34 Дж·с – постоянная Планка.

Что же это за составляющая квантового уровня? 

Момент инерции J = mr² – это некая точка, назовём её составляющей квантового уровня m на расстоянии r от оси вращения.  В сущности, это «ни что» – пустота. Квантовый уровень обладает только энергией движения и больше ничем.

Чем меньше радиус квантового уровня, тем выше частота движения составляющей по окружности, и тем выше энергия. Скорость движения составляющих так высока, что на маленьких радиусах их квантовые уровни ведут себя как сплошные очень плотные кольца.

Взаимодействие между квантами энергии происходит перпендикулярно посредством квантовых уровней (Рис. 3).

При перпендикулярном расположении друг к другу, кванты одного вида энергии отталкиваются.

Кванты двух разных видов энергии притягиваются друг к другу. 

При параллельном расположении (Рис. 4), кванты энергии никак не влияют друг на друга и поэтому могут располагаться очень близко друг к другу и в любом количестве. Движение составляющих квантов энергий при параллельном положении могут быть синхронизированными в одном направлении, или же несинхронизированным – в противоположном направлении. Синхронизированные частицы при определённых условиях могут сливаться, образуя новую, более тяжёлую частицу.

Соединяться вместе могут только свободные частицы разных видов энергий. При этом частицы теряют одинаковое количество энергии.

Ядра атомов любых веществ состоят из протонов и нейтронов. Электроны принадлежат не абстрактному ядру атома, а конкретным протонам, находящимся в нём.

Для примера возьмём самое простое по строению вещество – атом водорода (Рис. 5). Атом водорода состоит из протона и электрона. Как было сказано выше, частицы – свободный протон и свободный электрон взаимодействуют перпендикулярно своими внешними квантовыми уровнями соответствующей энергии.

Квантовый уровень, по которому двигается электрон вокруг протона, является его кинетической энергией. Составляющая электрона движется по спирали, вокруг траектории, которая является квантовым уровнем протона. Электрон двигающийся вокруг протона, может иметь один из двух спинов – правовращательный или левовращательный.

Чтобы соединиться, свободный протон и свободный электрон должны потерять одинаковое количество энергии. Для невозбуждённого атома водорода энергия связи электрона E = 13.6 эВ. Из этих E = 13.6 эВ, энергии связи, половина потери энергии, то есть E = 6,8 эВ приходится на протон, а другая половина на электрон. При объединении протона и электрона эти излишки энергии соединяются и уносятся в виде кванта электромагнитного излучения.

Чтобы оторвать электрон от протона в атоме, необходимо вернуть им недостающую энергию, то есть облучить квантом электромагнитного излучения соответствующей или большей энергии. Тогда протон в ядре атома получит свою недостающую порцию энергии в виде магнитной составляющей электромагнитного кванта, а электрон, связанный с этим протоном, получит свою электронную порцию энергии и таким образом, каждая из частиц восстановится до свободного состояния. Это называют фотоэффектом. Если энергии фотона не хватает для восстановления частиц до свободного состояния, то протон и электрон восстановятся частично. Электрон поднимется на более высокий, соответствующую энергиям его и протону, квантовый уровень, а затем вернётся на своё прежнее место, и при этом протон и электрон потеряют приобретённую до этого энергию, в виде фотона.

Масса протона равна 938,272 МэВ, а электрона — 0,5109989 МэВ. Протон в 1836 раз тяжелее электрона. Казалось бы, при такой колоссальной разнице в массе, протон должен проглотить электрон и не заметить. Но в природе не бывает ничего просто так. Как было сказано выше только несвободная устойчивая частица может иметь меньшую массу. Протон — это устойчивый квант магнитного поля, а электрон устойчивый квант электронного поля. А природа стремится к стабильности.

Электрон не может отдать всю свою энергию протону, ведь протон может стать неустойчивой частицей. Поэтому электрон может истратить очень небольшую часть своей энергии. Более тяжёлые электроноподобные частицы могут располагаться на более низких квантовых уровнях протона. Известны экзотические атомы, полученные в лабораторных условиях: позитроний – состоящий из позитрона вместо протона и электрона, мюоний – состоящий из положительного мюона, вместо протона, который в 207 раз тяжелее позитрона и электрона, а также мюонные атомы где электрон заменяется на отрицательный мюон и другие адронные, катионные и т.д. Вся эта экзотика может существовать доли секунды и распадается на кванты электромагнитного излучения.

Теперь несколько слов о нейтроне.

Нейтрон является электрически нейтральной составной частицей, одной из составных частей ядра атома. Время жизни нейтрона как свободной частицы около 15 минут. В связанном состоянии, в ядре атома, нейтрон является стабильной частицей. Протон является центральной частью нейтрона. А составляющая электрона движется, наматывая спираль своей траектории вокруг основного квантового уровня протона (Рис. 6). На примере атома водорода было показано что при соединении двух частиц выделяется энергия в виде кванта электромагнитного излучения. Для образования нейтрона энергия, наоборот, затрачивается.

В энергетических единицах масса:

покоя протона m_p = 938,3 МэВ,

покоя нейтрона m_n= 939,6 МэВ. 

Мы видим, что масса нейтрона больше массы протона на 1,3 МэВ. Нейтрон распадается на протон и электрон. В этой разнице 1,3 МэВ имеется масса свободного электрона 0,510998902 МэВ. Остаётся излишек 0,789001098 МэВ. Это энергия связи протона и электрона. Чтобы сблизить эти две частицы друг к другу требуется затратить одинаковое количество энергии. Для электрона эта энергия, которая является для него кинетической — магнитная, а для протона соответственно — электронная. Этот остаток 0,789001098 МэВ разделим пополам, и у нас получится 0,394500549 МэВ магнитной энергии и соответственно столько же электронной.

Из-за того, что, нейтрон — это составная частица, состоящая из протона и электрона, все внешние квантовые уровни компенсируются. По этой причине у нейтрона очень высокая проникающая способность. Он проходит сквозь вещество, пока напрямую не столкнётся с атомным ядром.

О фотоне

При соединении квантовых уровней противоположных знаков одного уровня энергии, образуется квант электромагнитного излучения или фотон. Магнитная и электронная составляющие взаимодействуют перпендикулярно друг другу. Квант электромагнитного излучения представляет собой электронную и магнитную составляющие, двигающиеся вокруг друг друга (Рис.7).  Друг для друга электронная и магнитная составляющие являются кинетической энергией. Фотон может быть правого или левого вращения.

Скорость движения кванта электромагнитного излучения известна и равна C = 299792458 м/с.   Естественно, что магнитная или электронная составляющие фотона, двигающиеся по спирали в направлении движения кванта электромагнитного излучения, должны иметь скорость выше скорости света!

Представим себе, что траектории электронной и магнитной составляющих фотона представляют собой две спиральные линии на стенках цилиндра. Тогда высоту цилиндра возьмём равным скорости света h = C, а диаметр цилиндра, для упрощения расчёта, примем так же равным длине волны λ = 1 – расстоянию, которое проходит квант электромагнитного излучения за одну секунду. Чтобы узнать скорости движения электронной и магнитной составляющих, достаточно узнать длину одной из спиральных линий.  Развёртка спиральной линии на цилиндре будет представлять собой гипотенузу прямоугольного треугольника с катетами C и πλ. Тогда скорость электронной или магнитной составляющих:

Энергия фотона описывается формулой   E = mc².  Если бы фотон, как корпускула, двигался поступательно и с постоянной скоростью, то его энергия была бы равна:

Почему же действительная энергия фотона в два раза больше по сравнению с энергией поступательно движущейся корпускулы такой же массы?

Элементарная частица представляет собой составляющую квантового уровня, движущуюся по окружности. При движении составляющей квантового уровня с окружной скоростью, равной υ = ώr; где ώ — угловая скорость, а r — радиус движения составляющей, у него имеется энергия вращательного движения равная:

  (J — момент инерции).  Учитывая значение J = mr²  для элементарной частицы и величину:

получим:

Но фотон состоит из двух составляющих энергии: электронной и магнитной. Поэтому все, что мы имеем для одной составляющей, будет актуально и для второй составляющей.

В итоге имеем энергию второй составляющей:

Складываем энергию двух составляющих и получаем E₁ + E₂ = mυ².

Таким образом E = mc².

Список литературы:

1. Учебное руководство: Перевод с английского. / Под редакцией А.И. Шальникова и А.О. Вайсенберга. 3-е изд., испр. — М.: Наука, 1983. — 416 с.

2. Крейчи В. Мир глазами современной физики: Перевод с чешского. /Под редакцией и с предисловием Ю.Г. Рудого. – М.: Мир, 1984. – 311 с.

3. Астахов А. В., Широков Ю. М. Курс физики: Учебное пособие. — В 3-х томах. Т. III. Квантовая физика/Под редакцией Ю. М. Широкова. — М: Наука Главная редакция физико-математической литературы, 1983. — 240 с.

4. Бейзер А. Основные представления современной физики. Перев. с англ., М, Атомиздат, 1973, — 548 с.

5. https://www.ngpedia.ru/id233751p1.html

6. http://teachmen.ru/work/atomH/

7. https://www.nkj.ru/archive/articles/3668/

Физика 21 века

Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта «Викизнание», помещена на этот сайт в целях защиты информации от вандалов, а затем дополнена на этом сайте.

Полевая теория элементарных частиц, действуя в рамках НАУКИ, опирается на проверенный ФИЗИКОЙ фундамент:

• Классическую электродинамику,
• Квантовую механику,
• Законы сохранения — фундаментальные законы физики.

В этом принципиальное отличие научного подхода, использованного полевой теорией элементарных частиц — подлинная теория должна строго действовать в рамках законов природы: в этом и заключается НАУКА.

Использовать не существующие в природе элементарные частицы, выдумывать не существующие в природе фундаментальные взаимодействия, или подменять существующие в природе взаимодействия сказочными, игнорировать законы природы, занимаясь математическими манипуляциями над ними (создавая видимость науки) — это удел СКАЗОК, выдаваемых за науку

. В итоге физика скатывалась в мир математических сказок.

Нейтрон — элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) — группа барионов , подгруппа протона, электрический заряд +0 (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

Согласно полевой теории элементарных частиц (теории — построенной на научном фундаменте и единственной получившей правильный спектр всех элементарных частиц), нейтрон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей.

Все голословные утверждения Стандартной модели о том, что нейтрон якобы состоит из кварков, не имеют ничего общего с действительностью.

— Физика экспериментально доказала, что нейтрон обладает электромагнитными полями (нулевая величина суммарного электрического заряда, еще не означает отсутствие дипольного электрического поля, что косвенно вынуждена была признать даже Стандартная модель, введя электрические заряды у элементов структуры нейтрона), и еще гравитационным полем.

О том, что элементарные частицы не просто обладают — а состоят из электромагнитных полей, физика гениально догадалась еще 100 лет назад, но вот построить теорию никак не удавалось до 2010 года. Теперь в 2015 году появилась еще и теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и получившая уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отличные от уравнений гравитации, на основании которых была построена не одна математическая сказка в физике.

Структура электромагнитного поля нейтрона (E-постоянное электрическое поле ,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле). Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):

• постоянное электрическое поле (E) — 0,18%,
• постоянное магнитное поле (H) — 4,04%,
• переменное электромагнитное поле — 95,78%.

Наличие мощного постоянного магнитного поля объясняет обладание нейтроном ядерными силами. Структура нейтрона приведена на рисунке.

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон обладает дипольным электрическим полем.

1 Радиус нейтрона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) элементарной частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для нейтрона это будет 3,3518 ∙10-16 м. К этому надо добавить еще толщину слоя электромагнитного поля 1,0978 ∙10-16 м.

Тогда получится 4,4496 ∙10-16 м.

Таким образом, внешняя граница нейтрона должна находиться от центра на расстоянии более 4,4496 ∙10-16 м. Получилась величина почти равная радиусу протона и это не удивительно. Радиус элементарной частицы определяется квантовым числом L и величиной массы покоя.

У обеих частиц одинаковый набор квантовых чисел L и ML, а массы покоя незначительно отличаются.

2 Магнитный момент нейтрона

В противовес квантовой теории полевая теория элементарных частиц утверждает, что магнитные поля элементарных частиц не создаются спиновым вращение электрический зарядов, а существуют одновременно с постоянным электрическим полем как постоянная составляющая электромагнитного поля.

Поэтому магнитные поля есть у всех элементарных частиц с квантовым числом L>0. Полевая теория элементарных частиц не считает магнитный момент нейтрона аномальным — его величина определяется набором квантовых чисел в той степени, в какой квантовая механика работает в элементарной частице.

Так магнитный момент нейтрона создается током:

• (0) с магнитным моментом -1 eħ/m0nc

Далее умножаем его на процент энергии переменного электромагнитного поля нейтрона разделенный, на 100 процентов, и переводим в ядерные магнетоны.

При этом не следует забывать, что ядерные магнетоны учитывают массу протона (m0p), а не нейтрона (m0n), так что полученный результат надо умножить на отношение m0p/m0n. В итоге получим 1,91304.

3 Электрическое поле нейтрона

Несмотря на нулевой электрический заряд, согласно полевой теории элементарных частиц у нейтрона должно быть постоянное электрическое поле. У электромагнитного поля, из которого состоит нейтрон, имеется постоянная составляющая, а, следовательно, у нейтрона должны быть постоянное магнитное поле и постоянное электрическое поле.

Поскольку электрический заряд равен нулю то постоянное электрическое поле будет дипольным. То есть у нейтрона должно быть постоянное электрическое поле аналогичное полю двух распределенных параллельных электрических зарядов равных по величине и противоположного знака.

На больших расстояниях электрическое поле нейтрона будет практически незаметно из-за взаимной компенсации полей обоих знаков заряда. Но на расстояниях порядка радиуса нейтрона это поле будет оказывать существенное влияние на взаимодействия с другими элементарными частицами близких по размерам.

Это, прежде всего, касается взаимодействия в атомных ядрах нейтрона с протоном и нейтрона с нейтроном. Для нейтрон — нейтронного взаимодействия это будут силы отталкивания при одинаковом направлении спинов и силы притяжения при противоположном направлении спинов.

Для нейтрон — протонного взаимодействия знак силы зависит не только от ориентации спинов, но еще и от смещения между плоскостями вращения электромагнитных полей нейтрона и протона.
Итак, у нейтрона должно быть дипольное электрическое поле двух распределенных параллельных симметричных кольцевых электрических зарядов (+0.75e и -0.

75e), среднего радиуса , расположенных на расстоянии Электрический дипольный момент нейтрона (согласно полевой теории элементарных частиц) равен:
где ħ — постоянная Планка, L — главное квантовое число в полевой теории элементарных частиц, e — элементарный электрический заряд, m0 — масса покоя нейтрона, m0~ — масса покоя нейтрона, заключенная в переменном электромагнитном поле, c — скорость света, P — вектор электрического дипольного момента (перпендикулярен плоскости нейтрона, проходит через центр частицы и направлен в сторону положительного электрического заряда), s — среднее расстояние между зарядами, re — электрический радиус элементарной частицы. Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+2/3e=+0.666e и -2/3e=-0.666e) в нейтроне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая нейтральная элементарная частица, независимо от величины спина и … . Потенциал электрического дипольного поля нейтрона в точке (А) (в ближней зоне 10s > r > s приблизительно), в системе СИ равен:
где θ — угол между вектором дипольного момента Pи направлением на точку наблюдения А, r0 — нормировочный параметр равный r0=0.8568Lħ/(m0~c), ε0 — электрическая постоянная, r — расстояние от оси (вращения переменного электромагнитного поля) элементарной частицы до точки наблюдения А, h — расстояние от плоскости частицы (проходящей через ее центр) до точки наблюдения А, he- средняя высота расположения электрического заряда в нейтральной элементарной частице (равна 0.5s), |…| — модуль числа, Pn — величина вектора Pn. (В системе СГС отсутствует множитель .) Напряженность E электрического дипольного поля нейтрона (в ближней зоне 10s > r > s приблизительно), в системе СИ равна:
где n=r/|r| — единичный вектор из центра диполя в направлении точки наблюдения (А), точкой (∙) обозначено скалярное произведение, жирным шрифтом выделены вектора. (В системе СГС отсутствует множитель .) Компоненты напряженности электрического дипольного поля нейтрона (в ближней зоне 10s>r>s приблизительно) продольная ( | | ) (вдоль радиус-вектора, проведенного от диполя в данную точку) и поперечная (_|_) в системе СИ:
где θ — угол между направлением вектора дипольного момента Pn и радиус-вектором в точку наблюдения (в системе СГС отсутствует множитель ).

Третья компонента напряженности электрического поля — ортогональная плоскости, в которой лежат вектор дипольного момента Pn нейтрона и радиус-вектор, — всегда равна нулю.

Потенциальная энергия U взаимодействия электрического дипольного поля нейтрона (n) с электрическим дипольным полем другой нейтральной элементарной частицы (2) в точке (А) в дальней зоне (r>>s), в системе СИ равна:
где θn2 — угол между векторами дипольных электрических моментов Pn и P2, θn — угол между вектором дипольного электрического момента Pn и вектором r, θ2 — угол между вектором дипольного электрического моментаP2 и вектором r, r — вектор из центра дипольного электрического момента pn в центр дипольного электрического момента p2(в точку наблюдения А). (В системе СГС отсутствует множитель )

Нормировочный параметр r0 вводится с целью уменьшения отклонения значения E, от рассчитанного с помощью классической электродинамики и интегрального исчисления в ближней зоне.

Нормировка происходит в точке, лежащей в плоскости параллельной плоскости нейтрона, удаленной от центра нейтрона на расстояние (в плоскости частицы) и со смещением по высоте на h=ħ/2m0~c, где m0~ — величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося нейтрона (для нейтрона m0~= 0.95784 m.

Для каждого уравнения параметр r0 рассчитывается самостоятельно. В качестве приблизительного значения можно взять полевой радиус:

Из всего вышесказанного следует, что электрическое дипольное поле нейтрона (о существовании которого в природе, физика 20 века и не догадывалась), согласно законам классической электродинамики, будет взаимодействовать с заряженными элементарными частицами.

4 Масса покоя нейтрона

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и нейтрона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:
где определенный интеграл берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, E — напряженность электрического поля, H — напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты электромагнитного поля: постоянное электрическое поле (которое у нейтрона есть), постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле. Эта маленькая, но очень емкая для физики формула, на основании которой получены уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отправит в утиль не одну сказочную «теорию» — поэтому ее возненавидят некоторые их авторы.

Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя нейтрона зависит от условий, в которых нейтрон находится. Так поместив нейтрон в постоянное внешнее электрическое поле (например, атомное ядро), мы повлияем на E2, что отразится на массе нейтрона и его стабильности. Аналогичная ситуация возникнет при помещении нейтрона в постоянное магнитное поле. Поэтому некоторые свойства нейтрона внутри атомного ядра, отличаются от тех же свойств свободного нейтрона в вакууме, вдали от полей.

5 Время жизни нейтрона

Установленное физикой время жизни 880 секунд соответствует свободному нейтрону.

Полевая теория элементарных частиц утверждает, что время жизни элементарной частицы зависит от условий, в которых она находится.

Поместив нейтрон во внешнее поле (например, магнитное) мы изменяем энергию, содержащуюся в его электромагнитном поле. Можно выбрать направление внешнего поля так, чтобы внутренняя энергия нейтрона уменьшилась.

В результате при распаде нейтрона выделится меньше энергии, что затруднит распад и увеличит время жизни элементарной частицы. Можно подобрать такую величину напряженности внешнего поля, что распад нейтрона будет требовать дополнительной энергии и, следовательно, нейтрон станет стабильным.

Именно это наблюдается в атомных ядрах (например, дейтерия), в них магнитное поле соседних протонов не допускает распад нейтронов ядра. В прочем при внесении в ядро дополнительной энергии распады нейтронов вновь могут стать возможными.

6 Новая физика: Нейтрон (элементарная частица) — итог

Стандартная модель (опущенная в данной статье, но которая в 20 веке претендовала на истину) утверждает, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (предполагаемая кварковая структура нейтрона: udd).

Поскольку наличие кварков в природе экспериментально не доказано, электрический заряд, равный по величине заряду гипотетических кварков в природе не обнаружен, а имеются лишь косвенные свидетельства, которые можно интерпретировать как наличие следов кварков в некоторых взаимодействиях элементарных частиц, но можно и интерпретировать иначе, то утверждение Стандартной модели, что нейтрон обладает кварковой структурой остается всего лишь бездоказательным предположением. Любая модель, в том числе и Стандартная вправе предположить любую структуру элементарных частиц включая нейтрона, но пока на ускорителях не будут обнаружены соответствующие частицы, из которых якобы состоит нейтрон, утверждение модели следует считать не доказанным. Стандартная модель, описывая нейтрон, вводит не найденные в природе кварки с глюонами (глюоны тоже никто не нашел), не существующие в природе поля и взаимодействия и вступает в противоречие с законом сохранения энергии;

Полевая теория элементарных частиц (Новая физика) описывает нейтрон исходя из существующих в природе полей и взаимодействий в рамках, действующих в природе законов — в этом и заключается НАУКА.

Владимир Горунович

Структура атома: что такое нейтрон?

Что такое нейтрон? Каковы его структура, свойства и функции? Нейтроны — это самые большие из частиц, составляющих атомы, являющиеся строительными блоками всей материи.

Структура атома

Нейтроны находятся в ядре — плотной области атома, также заполненной протонами (положительно заряженными частицами). Эти два элемента удерживаются вместе при помощи силы, называем ядерной. Нейтроны имеют нейтральный заряд.

Положительный заряд протона сопоставляется с отрицательным зарядом электрона для создания нейтрального атома.

Несмотря на то что нейтроны в ядре не влияют на заряд атома, они все же обладают многими свойствами, которые влияют на атом, включая уровень радиоактивности.

Нейтроны, изотопы и радиоактивность

Частица, которая находится в ядре атома — нейтрон на 0,2% больше протона. Вместе они составляют 99,99% всей массы атома. Атомы одного и того же элемента могут иметь различное количество нейтронов.

Когда ученые ссылаются на атомную массу, они имеют в виду среднюю атомную массу. Например, углерод обычно имеет 6 нейтронов и 6 протонов с атомной массой 12, но иногда он встречается с атомной массой 13 (6 протонов и 7 нейтронов).

Углерод с атомным номером 14 также существует, но встречается редко. Итак, атомная масса для углерода усредняется до 12,011.

Когда атомы имеют различное количество нейтронов, их называют изотопами. Ученые нашли способы добавления этих частиц в ядро ​​для создания больших изотопов. Теперь добавление нейтронов не влияет на заряд атома, так как они не имеют заряда. Однако они увеличивают радиоактивность атома. Это может привести к очень неустойчивым атомам, которые могут разряжать высокие уровни энергии.

Что такое ядро?

В химии ядро ​​является положительно заряженным центром атома, который состоит из протонов и нейтронов.

Слово «ядро» происходит от латинского nucleus, которое является формой слова, означающего «орех» или «ядро». Этот термин был придуман в 1844 году Майклом Фарадеем для описания центра атома.

Науки, участвующие в исследовании ядра, изучении его состава и характеристик, называются ядерной физикой и ядерной химией.

Протоны и нейтроны удерживаются сильной ядерной силой. Электроны притягиваются к ядру, но двигаются так быстро, что их вращение осуществляется на некотором расстоянии от центра атома.

Заряд ядра со знаком плюс исходит от протонов, а что такое нейтрон? Это частица, которая не имеет электрического заряда. Почти весь вес атома содержится в ядре, так как протоны и нейтроны имеют гораздо большую массу, чем электроны.

Число протонов в атомном ядре определяет его идентичность как атома определенного элемента. Число нейтронов означает, какой изотоп элемента является атомом.

Размер атомного ядра

Ядро намного меньше общего диаметра атома, потому что электроны могут быть отдалены от центра. Атом водорода в 145 000 раз больше своего ядра, а атом урана в 23 000 раз больше своего центра. Ядро водорода является наименьшим, потому что оно состоит из одиночного протона.

Расположение протонов и нейтронов в ядре

Протон и нейтроны обычно изображаются как уплотненные вместе и равномерно распределенные по сферам. Однако это упрощение фактической структуры. Каждый нуклон (протон или нейтрон) может занимать определенный уровень энергии и диапазон местоположений. В то время как ядро ​​может быть сферическим, оно может быть также грушевидным, шаровидным или дисковидным.

Ядра протонов и нейтронов представляют собой барионы, состоящие из наименьших субатомных частиц, называемых кварками. Сила притяжения имеет очень короткий диапазон, поэтому протоны и нейтроны должны быть очень близки друг к другу, чтобы быть связанными. Это сильное притяжение преодолевает естественное отталкивание заряженных протонов.

Протон, нейтрон и электрон

Мощным толчком в развитии такой науки, как ядерная физика, стало открытие нейтрона (1932 год). Благодарить за это следует английского физика Д. Чедвика, который был учеником Резерфорда. Что такое нейтрон? Это нестабильная частица, которая в свободном состоянии всего за 15 минут способна распадаться на протон, электрон и нейтрино, так называемую безмассовую нейтральную частицу.

Частица получила свое название из-за того, что она не имеет электрического заряда, она нейтральна. Нейтроны являются чрезвычайно плотными. В изолированном состоянии один нейтрон будет иметь массу всего 1,67·10-27, а если взять чайную ложку плотно упакованную нейтронами, то получившийся кусок материи будет весить миллионы тонн.

Количество протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свою уникальную идентичность. В атомах некоторых элементов, например углерода, число протонов в ядрах всегда одинаково, но количество нейтронов может различаться. Атом данного элемента с определенным количеством нейтронов в ядре называется изотопом.

Опасны ли одиночные нейтроны?

Что такое нейтрон? Это частица, которая наряду с протоном входит в состав ядра атома. Однако иногда они могут существовать сами по себе. Когда нейтроны находятся вне ядер атомов, они приобретают потенциально опасные свойства.

Когда они двигаются с высокой скоростью, они производят смертельную радиацию. Так называемые нейтронные бомбы, известные своей способностью убивать людей и животных, при этом оказывают минимальное влияние на неживые физические структуры.

Нейтроны являются очень важной частью атома. Высокая плотность этих частиц в сочетании с их скоростью придает им чрезвычайную разрушительную силу и энергию.

Как следствие, они могут изменить или даже разорвать на части ядра атомов, которые поражают.

Хотя нейтрон имеет чистый нейтральный электрический заряд, он состоит из заряженных компонентов, которые отменяют друг друга относительно заряда.

Нейтрон в атоме — это крошечная частица.

Как и протоны, они слишком малы, чтобы увидеть их даже с помощью электронного микроскопа, но они там есть, потому что это единственный способ, объясняющий поведение атомов.

Нейтроны очень важны для обеспечения стабильности атома, однако за пределами его атомного центра они не могут существовать долго и распадаются в среднем всего лишь за 885 секунд (около 15 минут).

Что такое нейтрон в физике: строение, свойства и использование

Что такое нейтрон? Такой вопрос чаще всего возникает у людей, которые не занимаются ядерной физикой, ведь под нейтроном в ней понимают элементарную частицу, которая не имеет электрического заряда и обладает массой, превышающей электронную в 1838,4 раза. Вместе с протоном, масса которого немного меньше, чем масса нейтрона, он является «кирпичиком» атомного ядра. В физике элементарных частиц нейтрон и протон полагаются двумя разными формами одной частицы — нуклона.

Строение нейтрона

Нейтрон присутствует в составе ядер атомов для каждого химического элемента, исключение составляет лишь атом водорода, ядро которого представляет собой один протон. Что такое нейтрон, какое строение он имеет? Хотя он и называется элементарным «кирпичиком» ядра, но все же имеет свою внутреннюю структуру.

В частности, он относится к семейству барионов и состоит из трех кварков, два из которых являются кварками нижнего типа, а один — верхнего. Все кварки имеют дробный электрический заряд: верхний заряжен положительно (+2/3 от заряда электрона), а нижний — отрицательно (-1/3 электронного заряда).

Именно поэтому нейтрон не имеет электрического заряда, ведь он у составляющих его кварков просто компенсируется. Тем не менее, магнитный момент нейтрона не равен нулю.

В составе нейтрона, определение которого было дано выше, каждый кварк соединен с остальными с помощью глюонового поля. Глюон является частицей, ответственной за образование ядерных сил.

Помимо массы в килограммах и атомных единицах массы, в ядерной физике массу частицы описывают также в ГэВ (гигаэлектронвольтах). Это стало возможным после открытия Эйнштейном своего знаменитого уравнения E=mc2, которое связывает энергию с массой. Что такое нейтрон в ГэВ? Это величина 0,0009396, которая немного больше аналогичной для протона (0,0009383).

Стабильность нейтрона и ядер атомов

Присутствие нейтронов в атомных ядрах очень важно для их стабильности и возможности существования самой атомной структуры и вещества в целом. Дело в том, что протоны, которые также составляют атомное ядро, имеют положительный заряд.

И сближение их на близкие расстояния требует затрат огромных энергий ввиду кулоновского электрического отталкивания. Ядерные же силы, действующие между нейтронами и протонами на 2-3 порядка сильнее кулоновских. Поэтому они способны удерживать положительно заряженные частицы на близких расстояниях.

Ядерные взаимодействия являются короткодействующими и проявляют себя только в пределах размеров ядра.

Формулу нейтронов используют для нахождения их количества в ядре. Она выглядит так: количество нейтронов = атомная масса элемента — атомный номер в таблице Менделеева.

Свободный нейтрон — это частица нестабильная. Среднее время его жизни составляет 15 минут, после чего он распадается три частицы:

• электрон;
• протон;
• антинейтрино.

Предпосылки открытия нейтрона

Теоретическое существование нейтрона в физике было предложено еще в 1920 году Эрнестом Резерфордом, который пытался таким образом объяснить, почему атомные ядра не разваливаются из-за электромагнитного отталкивания протонов.

Еще раньше, в 1909 году в Германии, Боте и Беккер установили, что если альфа-частицами больших энергий от полония облучать легкие элементы, например, бериллий, бор или литий, то образуется излучение, которое проходит через любую толщину различных материалов. Они предположили, что это излучение гамма, однако ни одно подобное излучение, известное на тот момент, не обладало такой большой проникающей способностью. Эксперименты Боте и Беккера не были интерпретированы должным образом.

Открытие нейтрона

Существование нейтрона было обнаружено английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 году.

Он изучал радиоактивное излучение бериллия, провел серию экспериментов, получив результаты, которые не совпадали с теми, что предсказывали физические формулы: энергия радиоактивного излучения намного превосходила теоретические значения, также нарушался закон сохранения импульса. Поэтому необходимо было принять одну из гипотез:

1. Либо момент импульса не сохраняется при ядерных процессах.
2. Либо радиоактивное излучение состоит из частиц.

Первое предположение ученый отбросил, поскольку оно противоречит фундаментальным физическим законам, поэтому принял вторую гипотезу. Чедвик показал, что радиационное излучение в его экспериментах образовано частицами с нулевым зарядом, которые обладают сильной проникающей способностью. Кроме того, он смог измерить массу этих частиц, установив, что она немного больше таковой для протона.

Медленные и быстрые нейтроны

В зависимости от энергии, которой обладает нейтрон, он называется медленным (порядка 0,01 МэВ) или быстрым (порядка 1 МэВ). Такая классификация важна, поскольку от скорости нейтрона зависят некоторые его свойства.

В частности, быстрые нейтроны хорошо захватываются ядрами, приводя к образованию их изотопов, и вызывая их деление.

Медленные же нейтроны плохо захватываются ядрами практически всех материалов, поэтому они могут беспрепятственно проходить сквозь толстые слои вещества.

Роль нейтрона в делении ядра урана

Если задаваться вопросом, что такое нейтрон в ядерной энергетике, то можно с уверенностью сказать, что это средство индуцирования процесса деления ядра урана, сопровождаемое выделением большой энергии. Во время этой реакции деления также порождаются нейтроны различных скоростей. В свою очередь образованные нейтроны индуцируют распад других ядер урана, и реакция протекает цепным образом.

Если реакция деления урана будет неконтролируемой, то это приведет к взрыву реакционного объема. Данный эффект используется в ядерных бомбах. Контролируемая реакция деления урана является источником энергии в ядерных электростанциях.

Нейтрон

Нейтрон — элементарная частица, не имеющая электрического заряда.Константы нейтрона.

Название

Значение

Обозначение

Размерность

Масса покоя
1.67492861
тп
10-27 кг

Масса покоя в атомных единицах массы
1.00866490414
тп
а.е.м.

Масса покоя в электронвольтах
939.5656328
тп – тпс2/{е}
МэВ

Отношение массы нейтрона к массе электрона
1838.6836624
mp/me
МэВ

Отношение массы нейтрона к массе протона
1.0013784049
mn/mp
МэВ

Молярная масса
1.00866490414
М(п)
10-3 кг/моль

Комптоновская длина волны
1.3195911012
λcn – h/mn
10-15M

Магнитный момент
0.966237074
μn /μb
10-16м

Магнитный момент нейтрона в магнетонах Бора
1.0418756325
μn /μN
10-26 Дж×Тл-1

Магнитный момент нейтрона в ядерных магнетонах
1.9130427545
μn /μN
10–3

Отношение магнитного момента нейтрона к магнитному моменту электрона
1.0406688225
μn /μb
10–3

Отношение магнитного момента нейтрона к магнитному моменту протона
0.684
μn /μΡ
10–3

Нейтрон – элементарная частица, которая собственным электрическим зарядом не обладает. Отсюда и название этой частицы, которая с латинского языка переводится дословно «ни тот, ни другой». Из определенного числа нейтронов (а также из протонов) состоят атомные ядра.

Нейтрон: открытие

Впервые о существовании нейтрона люди узнали в 1932 году. Случилось это благодаря ученому Дж. Чедвику. Важный вклад в науку был оценен, и спустя три года физик получил за свое открытие Нобелевскую премию.

Но еще в 1930 году ученые Д. Иваненко и В. Амбарцумян на опытах доказали, что ядро молекулы из протонов и электронов не состоит (а именно так считалось ранее).

Они показали, что электроны, которые отделяются от ядра в момент бета-распада, собственно в этот момент и рождаются.

Так что, помимо протонов, справедливо считали ученые, в ядре присутствуют нейтрально заряженные (а именно, не заряженные вовсе) частицы.

Нейтрон: данные

Масса нейтрона больше, нежели протоновая масса, примерно на 0, 14 процентов. Спин нейтрона 12. Период полураспада нейтрона – 614 секунд. А время жизни нейтрона в свободном состоянии примерно 885, 8 секунды.

Хот нейтрон и не обладает электрическим зарядом, подлинно нейтральной атомной частицей он не является. У него есть антипод или античастица – соответственно, антинейтрон.

Дейтрон — ядро атома изотопа водорода — дейтерия — с массовым числом A=2.Константы дейтрона.

Название	Значение	Обозначение	Размерность
Масса покоя	3.34358602	md	10–27кг
Масса покоя в атомных единицах массы	2.013553	md	а.е.м.
Масса покоя в электронвольтах	1875.6133957	md – тdс2/{е}	МэВ
Отношение массы дейтрона к массе электрона	3670.48301475	md / mb	МэВ
Отношение массы дейтрона к массе протона	1.9990074966	md / mp	МэВ
Молярная масса	2.01355321424	M(d)	10-3 кг/моль
Магнитный момент	0.433073	μd	10-26 Дж×Тл-1
Магнитный момент дейтрона в магнетонах Бора	0.466975447991	μd /μb	10-26 Дж×Тл-1
Магнитный момент дейтрона в ядерных магнетонах	0.85743823024	μd /μn	10–3
Отношение магнитного момента дейтрона к магнитному моменту электрона	0.466434546091	μd /μn	10–3

Дейтрон состоит из двух частиц – одного нейтрона и одного протона. Дейтрий стабилен, не вступает в возбужденную фазу. Ядро слабосвязанное, поэтому энергия связи дейтрона составляет только 2, 225 МэВ.

Дейтрий является единственным известным для людей веществом, которое состоит только из двух нуклонов.

Масса дейтрона равняется 3,343 583 20(17)•10−27 кг. спин – 1, положительная четность. Дейтрон постоянно возникает в природных условиях, когда совершается захват свободными протонами тепловых нейтронов. Происходит это только в водородосодержащих средах.

Но, как считают ученые, наибольшая часть дейтронов на планете и во Вселенной в общем образовалась, когда протекал первичный нуклеосинтез. А эта реакция протекала в первые минуты после совершения Большого Взрыва.

Реакция образования дейтронов в этот момент, в принципе, такая же, как и сейчас:
p + n → d + γ + 2,22 МэВ.

Page 3

Протон — элементарная частица. Константы протона:

Название	Значение	Обозначение	Размерность
Масса покоя протона в атомных единицах	1.67262311	mp	10–27кг
Массы в электронвольтах	1.00727647012	mp – mμс2 /{е}	а.е.м.
Отношение массы протона к массе электрона	1836.15270137	mp/mb	МэВ
Отношение массы протона к массе мюона	8.880244413	mρ / mμ	107Кл×кг–1
Отношение заряда протона к его массе	9.578830929	e/mp	107Кл×кг–1
Молярная масса	1.00727647012	Μ(ρ)	10–3 кг/моль
Комптоновская длина волны	1.3214100212	λcρ – h/mpc	10–15м
Магнитный момент	1.4106076147	μΡ	10–26Дж×Тл”
Магнитный момент протона в магнетонах Бора	1.52103220215	μΡ /μb	10-3
Магнитный момент протона в ядерных магнетонах	2.79284738663	μΡ /μn
Поправка на диамагнитное экранирование протонов в воде ,для сферического образца при 25°С 1 – јБ/ јБ	25.68915	σH2O –	10-6
Магнитный момент протона (Н2О,сферический образец, 25 0C)	1.4105713847	μρ	10–26Дж×Тл–1
Магнитный момент протона (Н2О,сферический образец, 25 0C) в магнетонах Бора	1.52099312917	μΡ /μb	10–3
Магнитный момент протона (Н2О,сферический образец, 25 0C) в ядерных магнетонах	2.79277564264	μΡ /μn	10–3
Гиромагнитное отношение	26752.212881	Гр – γρ/2π	104 с–1×Тл–1
Гиромагнитное отношение протона (Н2О, сферический образец, 25°С)	42.57637513	γρ/2π	МГц ×Тл-1

Протон – элементарная частица, которая относится к барионам. Спин протора – ½, электрический заряд +1. Масса протона составляет ,672 621 777(74)•10−27 килограмм. Протоны являются непосредственными участниками различных термоядерных реакций. Заметим, именно такие химические реакции являются источником света и энергии, которые производятся звездами.

В частности, протоны участвуют в реакции, которую называют реакцией рр-цикла, проходящей на Солнце. Интересно то, что по сути, вест рр-цикл сводится к соединению четырех разных протонов в одно ядро газа гелия-4 и последующее превращение пары протонов в нейтральные частицы.

Протон стабилен, минимальное время жизни – 2,9•1029 лет, эта цифра от канала распада ничуть не зависит.

В физике частица протона обозначается латинской литерой р (в некоторых случаях р+). Если рассматривать пример водорода, то протон водорода на письме выглядит так: Н+.
У этой частицы есть антипод – антипротон. Он обозначается также латинской р, но с минусом над буквой.

Page 4

Мюон в стандартной модели физики элементарных частиц — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1/2.

Название	Значение	Обозначение	Размерность
Масса покоя мюона	1.883532711	mμ	10–28кг
Масса покоя мюона в атомных единицах массы	0.11342891317	mμ	а.е.м.
Масса покоя мюона в электронвольтах	105.65838934	mμ – mμc2/{e}	МэВ
Отношение массы мюона к массе электрона	206.7682623	mμ/mb
Молярная масса мюона	1.1342891317	Μ(μ)	10–4 кг/моль
Магнитный момент мюона	4.490451415	μμ	10–26Дж×Тл”
Магнитный момент мюона в магнетонах Бора	4.84197	μμ /mb	10-3
Магнитный момент мюона в ядерных магнетонах	8.890598113	μμ /mn	10-3
Анeомалия магнитного момента мюона	1.165923084	аμ – [μμ/h/2mμ)] – 1	10-3
tf-фактор свободного мюона	2.00233184617	gμs – 2(1 + αμ)	10-3
Отношение магнитного момента мюона к магнитному моменту протона	3.1833454747	μμ/μΡ	10-3

Мюон – неустойчивая элементарная частица, которая обозначается на письме μ. У мюонов электрический заряд отрицателен.
Мюон относится к семейству фермионов. К нему же принадлежат электроны, нейтрино и тау-лептоны. Как и прочие элементарные частицы, мюон имеет античастицу, заряд которой противоположного знака. Спин и масса у двух противоположных мюонов равны.

Мюон: интересные факты

• Масса мюона больше, чем электрон, в 207 раз.
• На нашей планете мюоны регистрируются в основном в космических лучах, там они создаются в результате разделения пионов. Пионы же создаются в верхних уровнях атмосферы, но их время распада чрезвычайно короткое – всего несколько наносекунд. Впрочем, жизнь мюонов тоже коротка, чуть больше 2 микросекунд. Но так как мюоны, вышедшие из космических лучей, летят на скорости, близкой к световой, их можно обнаружить с Земли (и у Земли) достаточно легко.
• Ранее мюоны назывались мю-мезонами, однако, мезонами они не являются.
• Мюоны распадаются, почти всегда превращаясь в электрон, антинейтрино или нейтрино. При более редких вариантах распада рождаются дополнительные фотоны или позитроны с электронами.

Page 5

Нейтрон — элементарная частица, не имеющая электрического заряда.Константы нейтрона.

Читать далее

Дейтрон — ядро атома изотопа водорода — дейтерия — с массовым числом A=2.Константы дейтрона.

Читать далее

Протон — элементарная частица. Константы протона:
Читать далее

Мюон в стандартной модели физики элементарных частиц — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1/2.
Читать далее

Аномалия магнитного момента электрона
Читать далее

Электрон – стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества.
Читать далее

Атомные константы: названия, размерности, уровни энергии атома и т.п.
Читать далее

Электромагнитные константы: магнетон Бора в Кельвинах и другие данные
Читать далее

Универсальные константы: справочные данные Читать далее

Физические константы имеют большое значение и для выяснения строения вещества. Наиболее важными для характеристики чистоты вещества константами являются температура плавления, температура кипения, удельный вес и показатель преломления.

Читать далее

Page 6

Сколько планет в солнечной системе и каковы их характеристики? Эти данные за историю планеты много раз уточнялись, дополнялись, а иногда и искажались. Читать далее

Нейтрон — элементарная частица, не имеющая электрического заряда.Константы нейтрона.

Читать далее

Стабильность нейтрона в атомном ядре

Факт, ставящий в тупик многих из тех, кто впервые изучает природу обычной материи – то, что в ядре любого атома тяжелее водорода содержатся как протоны, так и нейтроны, но при этом нейтроны распадаются (дезинтегрируются в другие частицы) в среднем за 15 минут! Как же могут ядра углерода, кислорода, азота, кремния быть настолько стабильными, если нейтроны, из которых они состоят, не могут выживать сами по себе?

Ответ на этот вопрос оказывается очень простым после того, как вы поймёте, как работает энергия: это чистая бухгалтерия. Но понять энергию вовсе не просто. Для начала нужно прочесть статью о видах энергии. А до этого необходимо ознакомиться со статьёй об энергии, импульсе и массе. Эти концепции нужно представлять перед тем, как понять ответ на заданный вопрос.

Если вы прочли статью об энергии взаимодействия, вы знаете, что атом водорода состоит из протона и электрона, которые, из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга – они заперты внутри атома. Отрицательная энергия связи происходит из отрицательной энергии взаимодействия, частично сбалансированной положительной энергией движения электрона (и немного – протона). Энергия взаимодействия происходит из воздействия электрона на электрическое поле близ протона (и наоборот). В этой статье я объясню, почему нейтрон стабилен в следующем по простоте ядре атома: дейтроне, ядре «тяжёлого водорода» или «дейтерия». Дейтрон состоит из одного нейтрона и одного протона – в принципе просто, и не слишком отличается от атома водорода с одним электроном и одним протоном. Поняв, почему нейтрон стабилен в дейтроне, вы поймёте основной принцип, по которому нейтроны могут быть стабильны внутри всех стабильных ядер. Суть в следующем: энергия взаимодействия протонов и нейтронов отрицательная, и достаточно большая, поэтому в некоторых ядрах распад нейтрона привёл бы к росту энергии системы (состоящей остатков ядра после его распада и всех испущенных при распаде частиц), что нарушило бы закон сохранения энергии. Поскольку энергия должна сохраняться, распад невозможен. Не буду описывать взаимодействие нейтрона с протоном, поскольку за это отвечает сильное взаимодействие, гораздо более сложное, чем электрическое (и магнитное) взаимодействия между протоном и электроном, составляющими атом водорода. Частично эта сложность объясняется составным характером взаимодействия – это немного похоже на то, как электромагнитное взаимодействие может связывать два атома водорода в молекулу водорода, хотя оба атома электрически нейтральны. Но некоторые важные детали эта аналогия не охватывает. Ядерная физика – это отдельная тема.
Рис. 1 К счастью, нам эти сложности не нужны. Нам нужно знать, что эти силы создают отрицательную энергию взаимодействия для системы из протона, нейтрона и различных сложных полей, позволяющих им влиять друг на друга. В результате получается стабильный дейтрон. Так же, как атом водорода не может внезапно распасться на электрон и протон, дейтрон не может внезапно распасться на нейтрон и протон. Это не означает, что дейтрон или атом водорода нельзя уничтожить. Можно «ионизировать» атом водорода (выбить электрон у протона), если добавить внешнюю энергию – в виде, допустим, достаточно энергичного фотона. Тот же метод можно использовать для разбивания дейтерия и выбивания нейтрона у протона. Но энергию для этого нужно получить вне системы; ни водород, ни дейтрон самостоятельно распадаться не будут.

Нейтрон может распадаться

Давайте вспомним необходимое (но не достаточное) условие для распада объекта – масса начального объекта должна превосходить сумму масс объектов, на которые он распадается. Откуда берётся это условие? Из закона сохранения энергии. Скоро мы увидим, как и почему (как обычно, под массой я понимаю «массу покоя»).
Рис.

2 Проверим, что это условие выполняется для нейтрона, который может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад показан на рис 2; нейтрон спонтанно превращается в три эти частицы. Нейтрон и протон на самом деле больше по размеру, чем электрон и антинейтрино – хотя рисунок всё равно сделан не в масштабе.

Диаметр нейтрона или протона составляет примерно одну миллиардную триллионной доли метра (в 100 000 раз меньше атома), а про диаметр электрона или нейтрино известно, что он как минимум ещё в 1000 раз меньше этого.

На рис. 3 изображена энергетическая бухгалтерия (см. рис. 1).

До распада нейтрона энергия всей системы равна энергии массы (E = mc2) нейтрона. Масса нейтрона равна 0,939565… ГэВ/c2.

Многоточие говорит о том, что это не точное значение, но пока нам не нужна большая точность. Значит, энергия массы нейтрона

0,939565… ГэВ/c2

После распада нейтрона какой будет энергия всей системы? Поскольку энергия сохраняется, а извне энергии не поступало, то энергия системы будет равна тому же самому — 0,939565… ГэВ! Но как она распределится? Во-первых, у нас не будет энергии взаимодействия. Это не очевидно, но очень важно. Когда протон, электрон и антинейтрино разлетаются, энергия их взаимодействия становится пренебрежимо малой. Во-вторых, у каждой из частиц есть энергия массы. Сколько её там? • Энергия массы протона – 0,938272… ГэВ. • Энергия массы электрона – 0,000511… ГэВ. • Энергией массы антинейтрино можно пренебречь, настолько она мала. И это хорошо, поскольку масса нейтрино нам пока неизвестно. Мы знаем, что она, по крайней мере, гораздо меньше, чем 0,000001 ГэВ. Итоговая масса-энергия получается равной (0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) ГэВ = 0,938783… ГэВ Что меньше энергии массы нейтрона, с которой мы начали, на 0,000782… ГэВ. Пока что мы не видим, как она сохраняется. Энергия массы нейтрона не полностью превратилась в энергию массы протона, электрона и нейтрино. Излишки энергии на рис. 3 показаны жёлтым.
Рис. 3 Разницу можно восполнить при помощи энергии движения. Она всегда положительна. Нам нужно только распределить лишние 0,000782… ГэВ между движениями частиц так, чтобы сохранялся импульс системы (поверьте мне, это возможно). Тогда энергия будет сохранена, поскольку энергия массы нейтрона превратилась в энергию массы и энергию движения протона, электрона и нейтрино. Я не указал точное количество энергии движения, отошедшее протону, электрону и нейтрино, поскольку в каждом из случаев распада нейтрона энергия будет распределяться по-разному, просто случайным образом (такова квантовая механика). Только общая энергия движения будет всегда одной и той же, 0,000782… ГэВ.

Дейтрон стабилен

Вернёмся к дейтрону. Общая энергия дейтрона, как и у атома водорода, состоит из положительной энергии массы двух его составляющих (протона и нейтрона), положительной энергии движения двух составляющих, и отрицательной энергии взаимодействия, с лихвой покрывающей энергию движения.

Более того, как и для любой частицы или системы, масса дейтрона будет равной его общей энергии (точнее – общей энергии, которую вы измеряете, когда он не двигается относительно вас), делённой на с2, квадрат скорости света.

Соответственно, если дейтрон относительно вас покоится, на основе его измеренной массы, равной 1,875612… ГэВ/с2, можно сказать, что его энергия равна Энергия массы дейтрона = 1,875612… ГэВ = • Энергия массы протона + энергия массы нейтрона, • Энергия движения протона + энергия движения нейтрона, • Энергия взаимодействия (отрицательная, и больше по модулю, чем энергия движения). < энергия массы протона + энергия массы нейтрона = 0,938272… ГэВ+ 0,939565… ГэВ = 1,877837… ГэВ Поэтому энергия связи дейтрона равна 1,875612… ГэВ – 1,877837… ГэВ = -0,002225… ГэВ
Рис. 4 Отрицательная энергия связи означает, как и в случае с атомом водорода, что дейтрон не может просто развалиться на нейтрон и протон, как показано на рис. 4. Это нарушило бы сохранение энергии, утверждающее, что распадающаяся частица должна быть более массивной, чем частицы, на которые она распадается. Как показано на рис. 5, энергию никак не сохранишь. У нейтрона и протона больше энергии массы, чем у дейтрона, и нет никакого источника отрицательной энергии, способного погасить дефицит энергии, поскольку энергии взаимодействия между далеко разнесёнными протоном и нейтроном нет, а энергия движения отрицательной не бывает. Это значит, что процесс на рис. 4 произойти не может. Рис. 5

Нейтрон внутри дейтрона не может распаться

Остался один шаг, и он, по сравнению с предыдущими, довольно простой. Вопрос в следующем: почему нейтрон не может распадаться внутри дейтрона? Допустим, он распался: что останется? Тогда у нас будет два протона, электрон и антинейтрино; см. рис. 6. Два протона отталкиваются – у них положительный электрический заряд, и электрическая сила расталкивает их.

Сильное ядерное взаимодействие, пытающееся притянуть их вместе, не такое сильное, как у нейтрона с протоном, и суммарное действие двух сил будет отталкивающим. В результате это взаимодействие будет расталкивать протоны. А электрон и антинейтрино тем временем также покинут место действия.
Рис.

6 Когда все четыре частицы будут далеко друг от друга (как грубо показано на рис. 6, но представьте, что они разлетелись ещё дальше), не будет никакой значительной энергии взаимодействия между ними. Энергия системы будет состоять только из суммы энергий масс частиц и энергий движения.

Поскольку энергия движения всегда положительна, минимальная энергия, которую смогут иметь частицы, будет равной сумме их энергий масс. Но эта энергия больше, чем энергия массы дейтрона (рис. 7)! Даже энергия массы двух протонов, 1,876544… ГэВ уже больше энергии массы дейтрона. А дополнительные 0,000511 ГэВ только сыплют соль на рану.

Поэтому нейтрон внутри дейтрона не может распасться; энергия взаимодействия, удерживающая дейтрон, тянет его массу вниз – достаточно низко для того, чтобы распад нейтрона внутри дейтрона нарушал сохранение энергии!
Рис. 7

Другие атомные ядра

И так происходит со всеми стабильными ядрами в природе. Но не надо думать, что всегда, когда вы комбинируете нейтроны и протоны, в результате получается стабильное ядро! Стабильные ядра крайне редки. Если вы возьмёте Z протонов и N нейтронов и попробуете сделать из них ядро, то для большей части вариантов Z и N у вас ничего не получится.

Большинство таких ядер мгновенно распадутся, они вообще не сформируются. Грубо говоря, сила притяжения между Z протонами и N нейтронами сильнее всего тогда, когда Z примерно равно N. С другой стороны, протоны отталкиваются друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия. Эта сила увеличивается при увеличении Z.

Соревнование двух этих эффектов предполагает, что ядро скорее всего будет стабильным, когда Z немного меньше N; и чем больше Z и N, тем больше должна быть разница между Z и N. Это видно на рис. 8. Стабильны только ядра, отмеченные чёрным; они располагаются в том, что поэтически называют «долиной стабильности».

А что за ядра, обозначенные цветом? Оказывается, что существует довольно много ядер, которые всё-таки распадаются, но могут жить довольно долго. Часто мы зовём такие объекты «нестабильными», а те, что живут достаточно долго – «метастабильными». Использование слов зависит от контекста. Нейтрон живёт 15 минут.

Есть ядра, живущие несколько миллисекунд, дней, десятилетий, тысячелетий и даже миллиардов лет. Эти ядра мы называем радиоактивными; это опасные последствия случаев с участием радиации или оружия, и инструменты, используемые в детекторах дыма и для борьбы с раком, в числе прочего.

Есть куча способов, которыми эти ядра могут распасться, но некоторые из них распадаются, превращая нейтрон в протон внутри ядра. Мы знаем об этом по увеличению заряда ядра и по тому, что из него вылетает электрон вместе с антинейтрино. Другие даже могут распадаться, превращая протон в нейтрон! Мы знаем об этом, потому что заряд ядра уменьшается, и из него вылетает позитрон (антиэлектрон).

Подсчётами того, сколько сможет прожить определённое ядро и как оно распадётся, занимается очень сложная ядерная физика – здесь курс по ней я давать не буду (да я и не эксперт).
Рис. 8

Достаточно сказать, что отрицательная энергия взаимодействия частиц, скомбинированная с сохранением энергии, может менять всю игру, делая невозможными определённые процессы, возможные в обычных условиях – и наоборот.

• нейтрон
• атомные ядра
• распад частиц
• Matt Strassler

Нужно по таблице посмотреть энергию связи ядер.
Нужно помнить, что это отрицательная энергия.

У углерода-12 она равна 92,2 МэВ, у гелия-4 – 28,3 МэВ, у лития-6 – 32,0 МэВ, у лития-7 – 39,2 МэВ, у водорода-2 – 2,2 МэВ.
Повторяю, это отрицательные энергии. Т. е. энергия покоя дейтрона – это энергия покоя протона плюс энергия покоя нейтрона МИНУС энергия связи.

Теперь берём углерод-12, у него 92,2 МэВ, сравниваем с тремя ядрами гелия-4, т. е. с 3*28,3 = 84,9 МэВ, получаем, что энергия связи последних меньше, чем у исходного ядра. Что это значит? Вспоминаем, что всё это отрицательные энергии: было -92,2, а стало -84,9. Значит такая реакция может идти только если подвести извне 7,3 МэВ – реакция идёт с поглощением энергии.
Кстати, очень важной для Вселенной является обратная реакция – “тройная гелиевая реакция”, при которой из гелия-4 образуется углерод-12 и, как не сложно догадаться, выделяется 7,3 МэВ энергии.

Берём литий-6, у него 32,0 МэВ, берём водород-2 – у него 2,2 МэВ, в сумме 34,2 МэВ, сравниваем с литием-7 – у него 39,2 МэВ (свободный протон, очевидно, обладает нулевой энергией связи) , получаем, что энергия связи увеличилась на 5 МэВ, а значит эта реакция сопровождается выделением 5 МэВ энергии. Ну а уравнение реакции:
Li-6 + D -> Li-7 + p + Q (Q – энергия)