โปรตอนและนิวตรอน: โกลาหลภายในสสาร การให้คำปรึกษาทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับนิวเคลียร์ฟิวชัน อนุภาคของโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว

ก่อนอื่นต้องเข้าใจว่าพลังงานที่ปล่อยออกมามีอยู่สี่ประเภท:

1) พลังงานเคมีที่ขับเคลื่อนรถยนต์ของเราตลอดจนอุปกรณ์ส่วนใหญ่ของอารยธรรมสมัยใหม่

2) พลังงานนิวเคลียร์ฟิชชัน ซึ่งใช้ในการผลิตไฟฟ้าประมาณ 15% ที่เราบริโภค

3) พลังงานของนิวเคลียร์ฟิวชันร้อน ซึ่งให้พลังงานแก่ดวงอาทิตย์และดวงดาวส่วนใหญ่

4) พลังงานของนิวเคลียร์ฟิวชันเย็นซึ่งผู้ทดลองบางคนสังเกตในระหว่างนั้น การวิจัยในห้องปฏิบัติการและการดำรงอยู่ของเขาถูกปฏิเสธโดยนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่

ปริมาณพลังงานนิวเคลียร์ที่ปล่อยออกมา (ความร้อน/ปอนด์ของเชื้อเพลิง) ของทั้งสามประเภทนั้นมากกว่าพลังงานเคมีถึง 10 ล้านเท่า พลังงานประเภทนี้แตกต่างกันอย่างไร? เพื่อที่จะเข้าใจปัญหานี้ จำเป็นต้องมีความรู้ด้านเคมีและฟิสิกส์บางประการ

ด้วยการใช้ประโยชน์จากข้อเสนอของร้านค้าออนไลน์ที่จำหน่ายของใช้ในครัวเรือน คุณสามารถซื้อสินค้าในราคาที่สมเหตุสมผลได้อย่างง่ายดาย

ธรรมชาติให้อนุภาคที่มีประจุเสถียรแก่เราสองประเภท: โปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนเป็นอนุภาคหนักซึ่งมักจะมีขนาดเล็กมากและมีประจุบวก โดยทั่วไปอิเล็กตรอนจะเบา ใหญ่ มีขอบเขตคลุมเครือและมีประจุลบ ประจุบวกและประจุลบจะดึงดูดกัน เช่นเดียวกับที่ขั้วเหนือของแม่เหล็กดึงดูดขั้วใต้ ถ้านำแม่เหล็กที่มีขั้วเหนือเข้ามาใกล้ ขั้วโลกใต้แม่เหล็กอีกอันก็จะชนกัน การชนจะปล่อยพลังงานจำนวนเล็กน้อยในรูปของความร้อน แต่ก็น้อยเกินกว่าจะวัดได้ง่าย หากต้องการแยกแม่เหล็กออกคุณจะต้องทำงานนั่นคือใช้พลังงาน ก็เหมือนกับการยกหินกลับขึ้นเนินเขา

การกลิ้งหินลงเนินเขาจะทำให้เกิดความร้อนเล็กน้อย แต่การยกหินกลับต้องใช้พลังงาน

ในทำนองเดียวกัน ประจุบวกของโปรตอนชนกับประจุลบของอิเล็กตรอน พวกมันจะ "เกาะติดกัน" และปล่อยพลังงานออกมา ผลลัพธ์ที่ได้คืออะตอมไฮโดรเจน ซึ่งเรียกว่า H อะตอมไฮโดรเจนเป็นเพียงอิเล็กตรอนคลุมเครือที่ห่อหุ้มโปรตอนขนาดเล็กไว้ หากคุณผลักอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจน คุณจะได้รับ H+ ไอออนที่มีประจุบวก ซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่าโปรตอนดั้งเดิม "ไอออน" เป็นชื่อที่ใช้เรียกอะตอมหรือโมเลกุลที่สูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป จึงไม่เป็นกลางอีกต่อไป

ดังที่คุณทราบแล้วว่าธรรมชาติมีอะตอมมากกว่าหนึ่งประเภท เรามีอะตอมออกซิเจน อะตอมไนโตรเจน อะตอมเหล็ก อะตอมฮีเลียม และอื่นๆ พวกเขาทั้งหมดแตกต่างกันอย่างไร? พวกมันล้วนมีเมล็ดพืชหลายประเภท และเมล็ดทั้งหมดก็มีเช่นกัน ปริมาณที่แตกต่างกันโปรตอนซึ่งหมายความว่าพวกมันมีประจุบวกต่างกัน นิวเคลียสของฮีเลียมประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัว ซึ่งหมายความว่ามีประจุบวก 2 และในการทำให้ประจุเป็นกลาง จำเป็นต้องมีอิเล็กตรอน 2 ตัว เมื่ออิเล็กตรอน 2 ตัวเกาะติดกัน จะเกิดอะตอมฮีเลียม นิวเคลียสของออกซิเจนประกอบด้วยโปรตอน 8 ตัวและมีค่าใช้จ่าย 8 เมื่ออิเล็กตรอน 8 ตัว "เกาะติด" กับมัน อะตอมของออกซิเจนจะถูกสร้างขึ้น อะตอมไนโตรเจนมีอิเล็กตรอน 7 ตัว อะตอมของเหล็กมีประมาณ 26 ตัว อย่างไรก็ตาม โครงสร้างของอะตอมทั้งหมดจะใกล้เคียงกัน นั่นคือนิวเคลียสขนาดเล็กที่มีประจุบวกซึ่งอยู่ในกลุ่มเมฆของอิเล็กตรอนแบบกระจาย ขนาดที่แตกต่างกันระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนนั้นใหญ่มาก

เส้นผ่านศูนย์กลางของดวงอาทิตย์มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 100 เท่าของโลก เส้นผ่านศูนย์กลางของเมฆอิเล็กตรอนในอะตอมนั้นมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสถึง 100,000 เท่า เพื่อให้ได้ปริมาตรที่แตกต่างกัน คุณต้องยกกำลังสามของตัวเลขเหล่านี้

ตอนนี้เราพร้อมที่จะเข้าใจว่าพลังงานเคมีคืออะไร อะตอมที่มีความเป็นกลางทางไฟฟ้า สามารถพันธะเข้าด้วยกันได้จริง และปล่อยพลังงานออกมามากขึ้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง พวกเขาสามารถเชื่อมต่อกับการกำหนดค่าที่มีเสถียรภาพมากขึ้น อิเล็กตรอนที่อยู่ในอะตอมอยู่แล้วกำลังพยายามกระจายในลักษณะที่จะเข้าใกล้นิวเคลียสมากที่สุด แต่เนื่องจากลักษณะการแพร่กระจายของพวกมันจึงจำเป็นต้องมีพื้นที่ที่แน่นอน อย่างไรก็ตาม เมื่อพวกมันรวมตัวกับอิเล็กตรอนจากอะตอมอื่น พวกมันมักจะสร้างโครงสร้างที่ใกล้ชิดขึ้น ทำให้พวกมันเคลื่อนที่เข้าใกล้นิวเคลียสมากขึ้น ตัวอย่างเช่น อะตอมไฮโดรเจน 2 อะตอมสามารถรวมกันเป็นโครงสร้างที่กะทัดรัดมากขึ้นได้ หากอะตอมไฮโดรเจนแต่ละอะตอมมอบอิเล็กตรอนให้กับเมฆที่มีอิเล็กตรอน 2 ตัว ซึ่งใช้ร่วมกันระหว่างโปรตอนสองตัว

ดังนั้นพวกมันจึงก่อตัวเป็นกลุ่มที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนสองตัวในเมฆก้อนเดียวและโปรตอนสองตัวซึ่งแยกจากกันด้วยอวกาศ แต่กระนั้นก็ยังอยู่ภายในเมฆของอิเล็กตรอน เป็นผลให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อปล่อยความร้อน: H + H => H G (เครื่องหมาย “=>” หมายถึง “กลายเป็น” หรือ “กลายเป็น”) โครงสร้าง H2 เป็นโมเลกุลไฮโดรเจน เมื่อคุณซื้อไฮโดรเจนหนึ่งกระบอก คุณจะไม่ได้อะไรมากไปกว่าโมเลกุล H ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อรวมอิเล็กตรอน H 2 สองตัวและอิเล็กตรอน 8 ตัวของอะตอม O เข้าด้วยกัน จะสามารถสร้างโครงสร้างที่กะทัดรัดยิ่งขึ้นได้ นั่นคือโมเลกุลของน้ำ H O บวกกับความร้อน ในความเป็นจริง โมเลกุลของน้ำคือกลุ่มเมฆอิเล็กตรอนกลุ่มเดียว ซึ่งภายในมีนิวเคลียสสามจุด โมเลกุลดังกล่าวคือการกำหนดค่าพลังงานขั้นต่ำ

ดังนั้น เมื่อเราเผาน้ำมันหรือถ่านหิน เราจะกระจายอิเล็กตรอนใหม่ สิ่งนี้นำไปสู่การก่อตัวของนิวเคลียสจุดภายในเมฆอิเล็กตรอนที่เสถียรยิ่งขึ้น และมาพร้อมกับการปล่อยความร้อน นี่คือธรรมชาติของพลังงานเคมี

ในการสนทนาครั้งก่อนเราพลาดประเด็นหนึ่งไป เหตุใดนิวเคลียสในธรรมชาติจึงมีโปรตอนตั้งแต่สองตัวขึ้นไปตั้งแต่แรก? โปรตอนแต่ละตัวมีประจุบวก และเมื่อระยะห่างระหว่างประจุบวกนั้นน้อยมากจนเทียบได้กับพื้นที่รอบนิวเคลียส พวกมันจะผลักกันอย่างรุนแรง การผลักกันของประจุที่คล้ายกันนั้นคล้ายคลึงกับการผลักกันที่เกิดขึ้นระหว่าง ขั้วโลกเหนือแม่เหล็กสองตัวเมื่อพยายามเชื่อมต่อไม่ถูกต้อง จะต้องมีบางสิ่งบางอย่างที่สามารถเอาชนะแรงผลักไสนี้ได้ ไม่เช่นนั้นก็จะมีเพียงอะตอมไฮโดรเจนเท่านั้น โชคดีที่เราเห็นว่าไม่เป็นเช่นนั้น

มีแรงอีกประเภทหนึ่งที่กระทำต่อโปรตอน นี่คือพลังงานนิวเคลียร์ เนื่องจากอนุภาคมีขนาดใหญ่มาก อนุภาคจึงถูกยึดไว้เกือบทับกัน นอกจากนี้ยังมีอนุภาคหนักประเภทที่สอง ซึ่งแตกต่างจากโปรตอนเพียงตรงที่ไม่มีประจุบวกหรือลบ พวกมันไม่ถูกประจุบวกของโปรตอนผลักกัน อนุภาคเหล่านี้เรียกว่า "นิวตรอน" เนื่องจากมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า ลักษณะเฉพาะคือสถานะของอนุภาคที่ไม่เปลี่ยนแปลงนั้นเป็นไปได้เฉพาะภายในนิวเคลียสเท่านั้น เมื่ออนุภาคอยู่นอกนิวเคลียส ภายในเวลาประมาณ 10 นาที มันจะกลายเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโนที่เบามาก อย่างไรก็ตาม ภายในแกนกลางนั้นสามารถคงอยู่ไม่เปลี่ยนแปลงได้นานเท่าที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม นิวตรอนและโปรตอนจะถูกดึงดูดเข้าหากันอย่างมาก เมื่อเข้าใกล้ระยะทางที่เพียงพอ พวกมันก็รวมกันเป็นคู่ที่แข็งแกร่งมากที่เรียกว่าดิวเทอรอน ซึ่งถูกกำหนดให้เป็น D+ ดิวเทอรอนตัวเดียวรวมกับอิเล็กตรอนตัวเดียวเพื่อสร้างอะตอมของไฮโดรเจนหนักหรือดิวทีเรียม ซึ่งเรียกว่า D

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ครั้งที่สองเกิดขึ้นเมื่อดิวเทอรอนสองตัวมีปฏิสัมพันธ์กัน เมื่อดิวเทอรอนสองตัวถูกบังคับให้มีปฏิสัมพันธ์กัน พวกมันจะรวมกันเป็นอนุภาคที่มีประจุสองเท่า การรวมกลุ่มของโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัวจะมีเสถียรภาพมากกว่าการรวมกลุ่มกัน โปรตอน-นิวตรอนในดิวเทอรอน อนุภาคใหม่ที่ทำให้เป็นกลางด้วยอิเล็กตรอน 2 ตัว จะกลายเป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม ซึ่งถูกกำหนดให้เป็น He ในธรรมชาติยังมีกลุ่มขนาดใหญ่ที่เป็นนิวเคลียสของคาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน เหล็ก และอะตอมอื่นๆ การดำรงอยู่ของกลุ่มเหล่านี้ทั้งหมดเป็นไปได้เนื่องจากแรงนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กันหรือใช้ปริมาตรรวมของพื้นที่เท่ากับขนาดของนิวเคลียส

ตอนนี้เราสามารถเข้าใจธรรมชาติของพลังงานนิวเคลียร์ธรรมดา ซึ่งจริงๆ แล้วคือพลังงานนิวเคลียร์ฟิชชัน สำหรับ ประวัติศาสตร์ยุคแรกดาวมวลมากกำลังก่อตัวขึ้นในจักรวาล เมื่อดาวฤกษ์มวลมากดังกล่าวระเบิด นิวเคลียสหลายประเภทก็ก่อตัวขึ้นและระเบิดขึ้นสู่อวกาศอีกครั้ง ดาวเคราะห์และดวงดาว รวมทั้งดวงอาทิตย์ ก่อตัวขึ้นจากมวลนี้

เป็นไปได้ว่าในระหว่างการระเบิด โครงร่างโปรตอนและนิวตรอนที่เสถียรที่เป็นไปได้ทั้งหมดปรากฏขึ้น รวมถึงกลุ่มที่เสถียรในทางปฏิบัติ เช่น นิวเคลียสของยูเรเนียม จริงๆ แล้วนิวเคลียสอะตอมของยูเรเนียมมีสามประเภท: ยูเรเนียม-234, ยูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-238 “ไอโซโทป” เหล่านี้มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน แต่ทั้งหมดมีโปรตอน 92 ตัว นิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมชนิดใดก็ตามสามารถเปลี่ยนเป็นรูปแบบพลังงานที่ต่ำกว่าได้โดยการหนีจากนิวเคลียสของฮีเลียม อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้เกิดขึ้นน้อยมากจนยูเรเนียมบนพื้นดินคงคุณสมบัติไว้ได้ประมาณ 4 พันล้านปี

อย่างไรก็ตาม มีอีกวิธีหนึ่งที่จะขัดขวางโครงสร้างของนิวเคลียสยูเรเนียม ใน โครงร่างทั่วไปหมู่โปรตอนและนิวตรอนจะเสถียรที่สุดหากมีคู่โปรตอน-นิวตรอนประมาณ 60 คู่ จำนวนคู่ดังกล่าวที่มีอยู่ในนิวเคลียสยูเรเนียมเป็นสามเท่าของตัวเลขนี้ เป็นผลให้มีแนวโน้มที่จะแบ่งออกเป็นสองส่วนและปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา แต่ธรรมชาติกลับไม่ยอมให้มันแยกจากกัน หากต้องการทำเช่นนี้ จะต้องย้ายไปยังการกำหนดค่าพลังงานที่สูงขึ้นก่อน อย่างไรก็ตาม ยูเรเนียมชนิดหนึ่ง - ยูเรเนียม-235 ซึ่งกำหนดไว้ที่ 235 U - ได้รับพลังงานที่จำเป็นโดยการจับนิวตรอน เมื่อได้รับพลังงานที่จำเป็น นิวเคลียสจะสลายตัว ปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลและปล่อยนิวตรอนเพิ่มเติม นิวตรอนเพิ่มเติมเหล่านี้สามารถแยกนิวเคลียสของยูเรเนียม-235 ได้ ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่

นี่เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นอย่างแน่นอน โรงไฟฟ้านิวเคลียร์โดยที่ความร้อนซึ่งเป็นผลสุดท้ายของการแยกตัวของนิวเคลียร์ถูกใช้เพื่อต้มน้ำ สร้างไอน้ำ และหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ข้อเสียของวิธีนี้คือปล่อยกากกัมมันตภาพรังสีซึ่งต้องกำจัดทิ้งอย่างปลอดภัย)

ตอนนี้เราพร้อมที่จะเข้าใจแก่นแท้ของนิวเคลียร์ฟิวชันร้อนแล้ว ตามที่กล่าวไว้ในบทที่ 5 การจัดกลุ่มของโปรตอนและนิวตรอนจะเสถียรที่สุดเมื่อจำนวนโปรตอนและนิวตรอนใกล้เคียงกับจำนวนในนิวเคลียสของอะตอมเหล็กโดยประมาณ เช่นเดียวกับยูเรเนียม ซึ่งปกติจะมีคู่นิวตรอน-โปรตอนมากเกินไป ธาตุเบา เช่น ไฮโดรเจน ฮีเลียม คาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน มีคู่ดังกล่าวน้อยเกินไป

ถ้าคุณสร้าง เงื่อนไขที่จำเป็นเพื่อให้นิวเคลียสเหล่านี้มีปฏิกิริยาต่อกัน พวกมันจะรวมตัวเป็นกลุ่มที่เสถียรมากขึ้นโดยปล่อยความร้อนออกมา นี่คือวิธีที่กระบวนการสังเคราะห์เกิดขึ้น มันเกิดขึ้นตามธรรมชาติในดวงดาวเช่นดวงอาทิตย์ โดยธรรมชาติแล้ว ไฮโดรเจนที่ถูกอัดจะร้อนมากและหลังจากนั้นครู่หนึ่งจะเกิดปฏิกิริยาการสังเคราะห์ขึ้น หากกระบวนการนี้เริ่มแรกเกิดขึ้นกับดิวเทอรอนซึ่งมีโปรตอนและนิวตรอนเป็นสองเท่าอยู่แล้ว ปฏิกิริยาในดาวฤกษ์ก็จะดำเนินไปค่อนข้างง่าย ความเร็วที่อะตอมแต่ละประเภทเคลื่อนที่ภายในกลุ่มเมฆของอะตอมที่คล้ายกันจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยตรง ยิ่งอุณหภูมิสูง ความเร็วก็จะยิ่งสูงขึ้น และอะตอมก็อยู่ใกล้กันมากขึ้น ทำให้เกิดการชนกันในทันที

ในดาวฤกษ์ อุณหภูมิจะสูงพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากแกนกลางได้ ดังนั้น เราสามารถพูดได้ว่าในความเป็นจริง เรากำลังเผชิญกับกลุ่มเมฆอิเล็กตรอนและนิวเคลียสที่ปะปนกัน อย่างมาก อุณหภูมิสูงในขณะที่เกิดการชน นิวเคลียสจะอยู่ใกล้กันมากจนแรงนิวเคลียร์ถูกกระตุ้น และดึงดูดกัน เป็นผลให้นิวเคลียสสามารถ "เกาะติดกัน" และกลายเป็นกลุ่มโปรตอนและนิวตรอนที่มีพลังงานต่ำและปล่อยความร้อนออกมา นิวเคลียร์ฟิวชันร้อนเป็นความพยายามที่จะดำเนินกระบวนการนี้ใน สภาพห้องปฏิบัติการโดยใช้ดิวเทอเรียมและไฮโดรเจนแบบไตรภาค (นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัว และนิวตรอน 2 ตัว) เป็นก๊าซ ความร้อนฟิวชันต้องรักษาอุณหภูมิของก๊าซให้อยู่ที่หลายร้อยล้านองศาซึ่ง สนามแม่เหล็กสามารถทำได้แต่เพียง 1-2 วินาทีเท่านั้น หวังว่าจะสามารถรักษาอุณหภูมิของก๊าซให้คงอยู่ได้นานขึ้น ตราบใดที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ก็เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสชนกัน

รูปแบบหลักในการปล่อยพลังงานคือการปล่อยนิวตรอนและโปรตอนพลังงานสูง โปรตอนจะถูกแปลงเป็นความร้อนอย่างรวดเร็ว พลังงานนิวตรอนยังสามารถแปลงเป็นความร้อนได้ แต่หลังจากนี้อุปกรณ์จะกลายเป็นกัมมันตภาพรังสี การขจัดการปนเปื้อนของอุปกรณ์ดูเหมือนจะทำได้ยากมาก ดังนั้นการหลอมรวมร้อนจึงไม่เหมาะที่จะเป็นวิธีการผลิตพลังงานเชิงพาณิชย์ ไม่ว่าในกรณีใด พลังงานฟิวชันร้อนคือความฝันที่มีมาไม่ต่ำกว่า 50 ปี อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่มองว่าฟิวชันร้อนเป็นวิธีเดียวที่จะผลิตพลังงานฟิวชันได้ กระบวนการฟิวชันร้อนก่อให้เกิดรังสีน้อยกว่าฟิชชัน เป็นแหล่งเชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและใช้งานได้จริงอย่างไม่จำกัดบนโลก (เมื่อเทียบกับการใช้พลังงานสมัยใหม่ มันจะเพียงพอสำหรับเวลาหลายล้านปี)

ในที่สุดเราก็มาถึงคำอธิบายของ Cold Fusion ฟิวชันเย็นอาจเป็นวิธีที่ง่ายและไม่มีกัมมันตภาพรังสีในการปลดปล่อยพลังงานฟิวชัน ในระหว่างการหลอมรวมเย็น โปรตอนและนิวตรอนของนิวเคลียสหนึ่งมีปฏิกิริยากับโปรตอนและนิวตรอนของอีกนิวตรอนในลักษณะที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

ในเวลาเดียวกัน แรงนิวเคลียร์ช่วยให้พวกมันมีโครงสร้างที่เสถียรยิ่งขึ้น สำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ใดๆ นิวเคลียสที่ทำปฏิกิริยาจำเป็นต้องมีปริมาตรพื้นที่เท่ากัน ข้อกำหนดนี้เรียกว่าการจัดตำแหน่งอนุภาค ในการหลอมรวมร้อน การรวมกันของอนุภาคจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้น ๆ เมื่อแรงผลักของประจุบวกสองประจุถูกเอาชนะ และนิวเคลียสชนกัน ในระหว่างการฟิวชันเย็น สภาวะของฟิวชันของอนุภาคจะเกิดขึ้นได้โดยการบังคับให้นิวเคลียสดิวทีเรียมทำตัวเป็นอนุภาคคลุมเครือ เช่น อิเล็กตรอน แทนที่จะเป็นอนุภาคจุดเล็กๆ เมื่อเติมไฮโดรเจนเบาหรือหนักลงไป โลหะหนัก“อะตอม” ของไฮโดรเจนแต่ละอะตอมจะมีตำแหน่งที่อะตอมของโลหะหนักล้อมรอบทุกด้าน

ไฮโดรเจนรูปแบบนี้เรียกว่าสารมัธยันตร์ อิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนรวมกับไฮโดรเจนตัวกลาง กลายเป็นส่วนหนึ่งของมวลของอิเล็กตรอนในโลหะ นิวเคลียสของไฮโดรเจนแต่ละตัวจะสั่นเหมือนลูกตุ้มขณะที่มันเคลื่อนผ่านเมฆอิเล็กตรอนที่มีประจุลบของโลหะ การสั่นสะเทือนดังกล่าวเกิดขึ้นแม้ที่อุณหภูมิต่ำมากตามหลักสมมุติ กลศาสตร์ควอนตัม- การเคลื่อนไหวเช่นนี้เรียกว่าการเคลื่อนไหว จุดศูนย์- ในกรณีนี้ นิวเคลียสจะกลายเป็นวัตถุที่พร่ามัว เช่น อิเล็กตรอนในอะตอม อย่างไรก็ตาม ความคลุมเครือดังกล่าวไม่เพียงพอที่จะทำให้นิวเคลียสไฮโดรเจนหนึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับอีกนิวเคลียสได้

เงื่อนไขอีกประการหนึ่งคือจำเป็นต้องมีนิวเคลียสของไฮโดรเจนตั้งแต่ 2 นิวเคลียสขึ้นไปที่มีช่องว่างเท่ากัน กระแสไฟฟ้าที่อิเล็กตรอนในโลหะพาไปจะมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นสสารที่สั่นมากกว่าเหมือนอนุภาคแบบจุด ถ้าอิเล็กตรอนไม่มีพฤติกรรมเข้ามา ของแข็งเช่นเดียวกับคลื่น ทั้งทรานซิสเตอร์และคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ก็คงไม่มีอยู่ในปัจจุบัน อิเล็กตรอนในรูปของคลื่นเรียกว่าอิเล็กตรอนฟังก์ชันโบลช เคล็ดลับของการหลอมเย็นคือความจำเป็นในการได้รับดิวเทอรอนของฟังก์ชันโบลช เพื่อให้ดิวเทอรอนตั้งแต่สองตัวขึ้นไปมีปริมาตรเท่ากัน จะต้องสร้างดิวเทอรอนแบบคลื่นขึ้นภายในหรือบนพื้นผิวของของแข็ง ทันทีที่มีการสร้างดิวเทอรอนของฟังก์ชันโบลช แรงนิวเคลียร์จะเริ่มออกฤทธิ์ และโปรตอนและนิวตรอนที่ประกอบเป็นดิวเทอรอนจะถูกจัดโครงสร้างใหม่ให้เป็นฮีเลียมของฟังก์ชันโบลชที่เสถียรยิ่งขึ้น ซึ่งมาพร้อมกับการปล่อยความร้อน

เพื่อศึกษาปฏิกิริยาฟิวชันเย็น ผู้ทดลองจำเป็นต้องบังคับดิวเทอรอนให้อยู่ในสถานะคลื่นและรักษาให้อยู่ในสถานะนี้ การทดลองฟิวชันเย็นที่สาธิตการปล่อยความร้อนส่วนเกินพิสูจน์ว่าสิ่งนี้เป็นไปได้ อย่างไรก็ตามยังไม่มีใครรู้วิธีดำเนินการตามกระบวนการดังกล่าวอย่างน่าเชื่อถือที่สุด การใช้ความเย็นฟิวชั่นสัญญาว่าจะได้รับแหล่งพลังงานที่จะคงอยู่เป็นเวลาหลายล้านปีโดยไม่มีปัญหาใด ๆ ภาวะโลกร้อนหรือกัมมันตภาพรังสี - ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงควรพยายามอย่างจริงจังเพื่อศึกษาปรากฏการณ์นี้

อักโตเบ, 2014

ฮาดรอน.คลาสของอนุภาคมูลฐานที่มีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรง ฮาดรอนประกอบด้วยควาร์กและแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: แบริออน (จากสามควาร์ก) และมีซอน (จากควาร์กและแอนติควาร์ก) สสารส่วนใหญ่ที่เราสังเกตประกอบด้วยแบริออน ได้แก่ โปรตอนและนิวคลีออนที่เป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม

กิจกรรมของแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสี- อัตราส่วนของจำนวนการสลายตัวของนิวเคลียสกัมมันตรังสีในแหล่งกัมมันตภาพรังสีต่อเวลาการสลายตัว

รังสีอัลฟ่า- รังสีไอออไนซ์ชนิดหนึ่ง - กระแสของอนุภาคที่มีประจุบวก (อนุภาคอัลฟา) ที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีและปฏิกิริยานิวเคลียร์ พลังทะลุทะลวงของรังสีอัลฟ่าต่ำ (ถูกกระดาษกั้นไว้) แหล่งกำเนิดรังสีอัลฟ่าเข้าสู่ร่างกายผ่านทางอาหาร อากาศ หรือทางผิวหนังที่ถูกทำลายนั้นเป็นอันตรายอย่างยิ่ง

อัลฟ่าสลายตัว(หรือα-decay) - การปล่อยอนุภาคอัลฟ่า (นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม) ที่เกิดขึ้นเองโดยนิวเคลียสของอะตอม

อนุภาคอัลฟ่า- อนุภาคประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว เหมือนกับนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม

การทำลายล้าง- ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคมูลฐานและปฏิอนุภาคซึ่งเป็นผลมาจากการที่พวกมันหายไปและพลังงานของพวกมันก็กลายเป็น รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า.

การทำลายล้างคือปฏิกิริยาของอนุภาคและปฏิอนุภาคที่เปลี่ยนเป็นอนุภาคอื่นเมื่อชนกัน

แอนติพาร์ติเคิลคืออนุภาคที่มีค่ามวล การหมุน ประจุ ฯลฯ เท่ากัน คุณสมบัติทางกายภาพเช่นเดียวกับอนุภาค "คู่" ของมัน แต่มีความแตกต่างจากสัญญาณของลักษณะปฏิสัมพันธ์บางอย่าง (เช่น สัญลักษณ์ของประจุไฟฟ้า)

ปฏิปักษ์เป็นอนุภาคคู่ของอนุภาคมูลฐานธรรมดาที่แตกต่างจาก สัญญาณสุดท้ายประจุไฟฟ้าและสัญญาณของลักษณะอื่น ๆ อนุภาคและปฏิอนุภาคมีมวล การหมุนรอบ และอายุการใช้งานเท่ากัน

เครื่องปรับอากาศ- โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ - องค์กรอุตสาหกรรมสำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้าหรือพลังงานความร้อนโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ตั้งแต่หนึ่งเครื่องขึ้นไปและชุดระบบอุปกรณ์อุปกรณ์และโครงสร้างที่จำเป็นพร้อมบุคลากรที่จำเป็น

อะตอม- อนุภาคที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีที่ยังคงคุณสมบัติไว้ ประกอบด้วยนิวเคลียสซึ่งมีโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมเท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส

มวลอะตอม- มวลของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมี แสดงเป็นหน่วยมวลอะตอม (amu) สำหรับ 1 อามู 1/12 ของมวลไอโซโทปคาร์บอนที่มีมวลอะตอม 12 เป็นที่ยอมรับ มวลอะตอมคือผลรวมของมวลของโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดในอะตอมที่กำหนด

นิวเคลียสของอะตอม- ส่วนกลางของอะตอมที่มีประจุบวก ซึ่งมีอิเล็กตรอนหมุนรอบและมีความเข้มข้นของมวลอะตอมเกือบทั้งหมด ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ประจุนิวเคลียร์ถูกกำหนดโดยประจุรวมของโปรตอนในนิวเคลียส และสอดคล้องกับเลขอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีในตารางธาตุ

บาริออน- อนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์กสามตัวซึ่งกำหนดหมายเลขควอนตัม แบริออนทั้งหมดไม่เสถียร ยกเว้นโปรตอน

พูลหน่วยเก็บข้อมูล- การติดตั้งซึ่งตั้งอยู่ที่บริเวณเครื่องปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เพื่อจัดเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วไว้ชั่วคราวใต้ชั้นน้ำ เพื่อลดกัมมันตภาพรังสีและความร้อนจากการสลายตัว

เบคเคอเรล(Bq) เป็นหน่วย SI ของกิจกรรมของสารกัมมันตภาพรังสี 1 Bq เท่ากับกิจกรรมของสารกัมมันตภาพรังสีโดยที่เหตุการณ์สลายตัวเกิดขึ้นใน 1 วินาที
รังสีβ γ- การไหลของอิเล็กตรอนเร็ว
รังสีอัลฟา- การไหลของนิวเคลียสฮีเลียม
รังสีแกมมา - คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวคลื่นสั้นมาก (L ~ 10 -10 ม.)

รังสีเบต้า- รังสีไอออไนซ์ชนิดหนึ่ง - การไหลของอิเล็กตรอนหรือโพซิตรอนที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือการสลายกัมมันตภาพรังสี รังสีเบตาสามารถทะลุเนื้อเยื่อของร่างกายได้ลึกถึง 1 ซม. ก่อให้เกิดอันตรายต่อมนุษย์ทั้งจากมุมมองของการสัมผัสภายนอกและภายใน

อนุภาคเบต้า– อิเล็กตรอนและโพซิตรอนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของอะตอม เช่นเดียวกับนิวตรอนอิสระระหว่างการสลายตัวของบีตา ในระหว่างการสลายตัวของเบต้าทางอิเล็กทรอนิกส์ของนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอน e - (เช่นเดียวกับแอนตินิวตริโน) จะถูกปล่อยออกมา ในระหว่างการสลายตัวของโพซิตรอนของนิวเคลียส โพซิตรอน e + (และนิวตริโน ν) จะถูกปล่อยออกมา การสลายตัวของนิวตรอนอิสระ (n) ทำให้เกิดโปรตอน (p) อิเล็กตรอน และแอนตินิวตริโน: n → p + e - +
อิเล็กตรอนและโพซิตรอน– อนุภาคเสถียรด้วยการหมุน J = 1/2 (ภายใน ช่วงเวลาเชิงกลโมเมนตัม) ที่อยู่ในกลุ่มเลปตัน โพซิตรอนเป็นปฏิปักษ์ต่ออิเล็กตรอน

การคุ้มครองทางชีวภาพ- กำแพงกั้นรังสีที่สร้างขึ้นรอบแกนเครื่องปฏิกรณ์และระบบทำความเย็นเพื่อป้องกันผลกระทบที่เป็นอันตรายของรังสีนิวตรอนและแกมมาต่อบุคลากร สาธารณะ และ สิ่งแวดล้อม- ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เป็นวัสดุหลัก การป้องกันทางชีวภาพเป็นรูปธรรม สำหรับเครื่องปฏิกรณ์กำลังสูง ความหนาของแผ่นกรองคอนกรีตจะสูงถึงหลายเมตร

โบซอนส์(จากชื่อนักฟิสิกส์ชาวอินเดีย เอส. โบส) – อนุภาคมูลฐาน, นิวเคลียสของอะตอม, อะตอมที่มีการหมุนเป็นศูนย์หรือจำนวนเต็ม (0ћ, 1ћ, 2ћ, …)

นิวตรอนเร็ว- นิวตรอน พลังงานจลน์ซึ่งสูงกว่าค่าที่กำหนด ค่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในช่วงกว้างและขึ้นอยู่กับการใช้งาน (ฟิสิกส์ของเครื่องปฏิกรณ์ การป้องกัน หรือการวัดปริมาณรังสี) ในฟิสิกส์ของเครื่องปฏิกรณ์ ค่านี้มักถูกเลือกให้เป็น 0.1 MeV

ห้องวิลสัน– เครื่องตรวจจับแทร็กของอนุภาคที่มีประจุเบื้องต้น ซึ่งแทร็ก (ร่องรอย) ของอนุภาคนั้นถูกสร้างขึ้นโดยสายโซ่ของหยดของเหลวขนาดเล็กตามวิถีการเคลื่อนที่ของมัน

รังสีแกมมา- รังสีไอออไนซ์ชนิดหนึ่ง - รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสีและปฏิกิริยานิวเคลียร์ แพร่กระจายด้วยความเร็วแสง และมีพลังงานสูงและมีความสามารถในการทะลุทะลวงได้ อ่อนแรงลงอย่างมีประสิทธิภาพเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับธาตุหนัก เช่น ตะกั่ว เพื่อลดรังสีแกมมาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ มีการใช้ฉากป้องกันที่มีผนังหนาซึ่งทำจากคอนกรีต

กฎการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี- กฎที่ใช้หาจำนวนอะตอมที่ไม่สลายตัว: N = N 0 2 -t/T

ดิวทีเรียม- ไอโซโทป "หนัก" ของไฮโดรเจนที่มีมวลอะตอม 2

เครื่องตรวจจับรังสีไอออไนซ์- องค์ประกอบที่ละเอียดอ่อนของเครื่องมือวัดที่ออกแบบมาเพื่อลงทะเบียนรังสีไอออไนซ์ การกระทำของมันขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อรังสีผ่านสสาร

ปริมาณรังสี- ในความปลอดภัยของรังสี - การวัดผลกระทบของรังสีไอออไนซ์ต่อวัตถุทางชีวภาพโดยเฉพาะบุคคล มีปริมาณที่สัมผัสได้ ดูดซึมได้ และเทียบเท่ากัน

มวลส่วนเกิน(หรือ ข้อบกพร่องมวล) – แสดงเป็นหน่วยพลังงาน ความแตกต่างระหว่างมวลของอะตอมที่เป็นกลางกับผลคูณของจำนวนนิวคลีออน (จำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมด) ในนิวเคลียสของอะตอมนี้ต่อหน่วยมวลอะตอม

ไอโซโทป- นิวไคลด์ที่มีเลขอะตอมเท่ากันแต่ต่างกัน มวลอะตอม(เช่น ยูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-238)

ไอโซโทป– มีนิวเคลียสของอะตอม หมายเลขเดียวกันโปรตอน Z จำนวนนิวตรอน N ต่างกัน ดังนั้น เลขมวลต่างกัน A = Z + N ตัวอย่าง: ไอโซโทปของแคลเซียม Ca (Z = 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca, 41 Ca, 42 Ca

ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี- ไอโซโทปนิวเคลียสที่ได้รับการสลายกัมมันตภาพรังสี ไอโซโทปที่รู้จักส่วนใหญ่มีกัมมันตภาพรังสี (~3500)

ห้องวิลสัน- อุปกรณ์สำหรับสังเกตร่องรอยของอนุภาคขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง (อิเล็กตรอน โปรตอน อนุภาคอัลฟ่า ฯลฯ) สร้างขึ้นในปี 1912 โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Wilson

ควาร์กเป็นอนุภาคมีประจุเบื้องต้นที่มีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรง โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามตัว

รังสีคอสมิก- พื้นหลัง รังสีไอออไนซ์ซึ่งประกอบด้วยรังสีปฐมภูมิที่มาจาก นอกโลกและรังสีทุติยภูมิที่เกิดจากอันตรกิริยาของรังสีปฐมภูมิกับบรรยากาศ

รังสีคอสมิกเป็นกระแสของอนุภาคมูลฐานที่มีประจุซึ่งมีพลังงานสูง (ส่วนใหญ่เป็นโปรตอน อนุภาคอัลฟ่า และอิเล็กตรอน) แพร่กระจายในอวกาศระหว่างดาวเคราะห์และระหว่างดวงดาว และ "ทิ้งระเบิด" โลกอย่างต่อเนื่อง

อัตราการสืบพันธุ์- คุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน ซึ่งแสดงอัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนของรุ่นที่กำหนดต่อจำนวนนิวตรอนของรุ่นก่อนหน้าในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีที่สิ้นสุด มักใช้คำจำกัดความอื่นของปัจจัยการคูณ - อัตราส่วนของอัตราการสร้างและการดูดกลืนนิวตรอน

มวลวิกฤติ- มวลเชื้อเพลิงที่เล็กที่สุดซึ่งสามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ยั่งยืนได้เองของการแยกตัวของนิวเคลียร์ โดยคำนึงถึงการออกแบบและองค์ประกอบของแกนกลาง (ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น องค์ประกอบของเชื้อเพลิง ตัวหน่วง รูปร่างแกนกลาง เป็นต้น)

กูรี (ซี)- หน่วยของกิจกรรมนอกระบบ โดยเริ่มแรกคือกิจกรรมของไอโซโทปเรเดียม-226 1 กรัม 1Ci=3.7·1010 ตร.ว.

มวลวิกฤติ(tk) - มวลที่เล็กที่สุดของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (ยูเรเนียม, พลูโตเนียม) ที่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

กูรี(Ci) เป็นหน่วยกิจกรรมนอกระบบของสารกัมมันตภาพรังสี 1 Ci = 3.7 10 10 Bq.

เลปตันส์(จากภาษากรีก leptos - เบา, เล็ก) - กลุ่มของอนุภาคจุดที่มีการหมุน 1/2ћ ที่ไม่มีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรง ขนาดเลปตัน (ถ้ามี)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:

• อิเล็กตรอน (e –) และอิเล็กตรอนนิวตริโน (ν e)
• มิวออน (μ –) และมิวออนนิวตริโน (ν μ)
• เทาเลปตัน (τ –) และเทานิวตริโน (ν τ)

นิวเคลียสวิเศษคือนิวเคลียสของอะตอมที่ประกอบด้วยจำนวนโปรตอนหรือนิวตรอนที่เรียกว่าเลขเวทย์มนตร์

ซี
เอ็น

นิวเคลียสเหล่านี้มีพลังงานยึดเหนี่ยวมากกว่านิวเคลียสข้างเคียง พวกมันมีพลังงานการแยกนิวคลีออนสูงกว่าและพบได้ทั่วไปในธรรมชาติ

เลขมวล(ก) - จำนวนทั้งหมดนิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) ในนิวเคลียสของอะตอม ลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม

อัตราปริมาณ- อัตราส่วนของการเพิ่มขึ้นของปริมาณรังสีในช่วงเวลาหนึ่งต่อช่วงเวลานี้ (เช่น rem/s, Sv/s, mrem/h, mSv/h, μrem/h, μSv/h)

นิวตรอน- อนุภาคมูลฐานที่เป็นกลางซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน เมื่อรวมกับโปรตอน นิวตรอนจะก่อตัวเป็นนิวเคลียสของอะตอม ในสถานะอิสระจะไม่เสถียรและสลายตัวเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน

นิวไคลด์- อะตอมชนิดหนึ่งที่มีโปรตอนและนิวตรอนจำนวนหนึ่งในนิวเคลียส โดยมีลักษณะเป็นมวลอะตอมและเลขอะตอม (ลำดับ)

การเสริมสมรรถนะ (โดยไอโซโทป):

2. กระบวนการที่ส่งผลให้เนื้อหาของไอโซโทปเฉพาะเพิ่มขึ้นในส่วนผสมของไอโซโทป

การเสริมสมรรถนะแร่ยูเรเนียม- ชุดของกระบวนการสำหรับการแปรรูปเบื้องต้นของวัตถุดิบที่มีแร่ยูเรเนียม โดยมีเป้าหมายเพื่อแยกยูเรเนียมออกจากแร่ธาตุอื่น ๆ ที่ประกอบเป็นแร่ ในกรณีนี้องค์ประกอบของแร่ธาตุจะไม่เปลี่ยนแปลง มีเพียงการแยกทางกลเพื่อผลิตแร่เข้มข้นเท่านั้น

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์เสริมสมรรถนะ- เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ซึ่งมีปริมาณนิวไคลด์ฟิสไซล์มากกว่าในวัตถุดิบธรรมชาติดั้งเดิม

ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ- ยูเรเนียมซึ่งมีปริมาณไอโซโทปยูเรเนียม-235 สูงกว่ายูเรเนียมธรรมชาติ

ครึ่งชีวิต(T) คือช่วงเวลาที่ครึ่งหนึ่งของจำนวนนิวเคลียสเดิมจะสลายตัว

ครึ่งชีวิต– ช่วงเวลาที่นิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีครึ่งหนึ่งสลายตัว ปริมาณนี้ซึ่งแสดงแทน T 1/2 เป็นค่าคงที่สำหรับนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสี (ไอโซโทป) ที่กำหนด ค่า T 1/2 แสดงลักษณะเฉพาะของอัตราการสลายตัวของนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีอย่างชัดเจน และเทียบเท่ากับค่าคงที่อีก 2 ค่าที่แสดงลักษณะอัตรานี้: อายุเฉลี่ยของนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสี τ และความน่าจะเป็นของการสลายตัวของนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีต่อหน่วยเวลา γ

ปริมาณรังสีที่ถูกดูดซับ- อัตราส่วนของพลังงานดูดซับ E ของรังสีไอออไนซ์ต่อมวลของสารที่ถูกฉายรังสี

สมมุติฐานของบอร์- สมมติฐานพื้นฐานที่นำเสนอโดยไม่มีการพิสูจน์โดย N. Bohr ซึ่งเป็นพื้นฐาน ทฤษฎีควอนตัมอะตอม.

กฎออฟเซ็ต:ในระหว่างการสลายตัว นิวเคลียสจะสูญเสียประจุบวก 2e และมวลของมันจะลดลงประมาณ 4 amu; ในระหว่างการสลายตัวของ b ประจุของนิวเคลียสจะเพิ่มขึ้น 1e แต่มวลไม่เปลี่ยนแปลง

ครึ่งชีวิตของนิวไคลด์กัมมันตรังสี- เวลาที่จำนวนนิวเคลียสของนิวไคลด์กัมมันตรังสีที่กำหนดซึ่งเป็นผลมาจากการสลายตัวที่เกิดขึ้นเองจะลดลงครึ่งหนึ่ง

โพซิตรอน- ปฏิปักษ์ของอิเล็กตรอนที่มีมวลเท่ากับมวลของอิเล็กตรอน แต่มีประจุไฟฟ้าบวก

โปรตอน- อนุภาคมูลฐานที่มีประจุบวกเสถียร โดยมีประจุ 1.61·10-19 C และมีมวล 1.66·10-27 กก. โปรตอนก่อตัวเป็นนิวเคลียสของไอโซโทป "แสง" ของอะตอมไฮโดรเจน (โปรเทียม) จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของธาตุใดๆ จะเป็นตัวกำหนดประจุของนิวเคลียสและเลขอะตอมของธาตุนั้น

กัมมันตภาพรังสี- การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเอง (การสลายตัวของกัมมันตรังสี) ของนิวไคลด์ที่ไม่เสถียรไปเป็นนิวไคลด์อื่นพร้อมกับการปล่อยรังสีไอออไนซ์

กัมมันตภาพรังสี- ความสามารถของนิวเคลียสของอะตอมบางส่วนในการแปลงสภาพเป็นนิวเคลียสอื่น ๆ ตามธรรมชาติโดยปล่อยอนุภาคต่าง ๆ ออกมา

การสลายตัวของสารกัมมันตรังสี- การเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเอง

เครื่องปฏิกรณ์พ่อแม่พันธุ์- เครื่องปฏิกรณ์เร็วซึ่งมีปัจจัยการแปลงเกิน 1 และขยายการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

เคาน์เตอร์ไกเกอร์(หรือเครื่องนับไกเกอร์-มุลเลอร์) คือเครื่องนับอนุภาคมูลฐานที่มีประจุซึ่งเต็มไปด้วยก๊าซ ซึ่งเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ถูกขยายเนื่องจากการไอออไนเซชันทุติยภูมิของปริมาตรก๊าซของตัวนับ และไม่ขึ้นอยู่กับพลังงานที่เหลือจากอนุภาคในนี้ ปริมาณ.

องค์ประกอบเชื้อเพลิง- องค์ประกอบเชื้อเพลิง องค์ประกอบโครงสร้างหลักของแกนกลางของเครื่องปฏิกรณ์ที่ต่างกันซึ่งอยู่ในรูปแบบที่บรรจุเชื้อเพลิงเข้าไป ในองค์ประกอบของเชื้อเพลิงนิวเคลียสหนัก U-235, Pu-239 หรือ U-233 เกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยพลังงานและพลังงานความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากพวกมันไปยังสารหล่อเย็น ส่วนประกอบเชื้อเพลิงประกอบด้วยแกนเชื้อเพลิง ส่วนหุ้ม และส่วนปลาย ประเภทขององค์ประกอบเชื้อเพลิงจะขึ้นอยู่กับประเภทและวัตถุประสงค์ของเครื่องปฏิกรณ์และพารามิเตอร์ของสารหล่อเย็น องค์ประกอบเชื้อเพลิงต้องรับประกันการระบายความร้อนที่เชื่อถือได้จากเชื้อเพลิงไปยังสารหล่อเย็น

ร่างกายทำงาน- ตัวกลาง (สารหล่อเย็น) ใช้ในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล

สสารมืด− สารที่มองไม่เห็น (ไม่เปล่งแสงและไม่ดูดซับ) การดำรงอยู่ของมันเห็นได้อย่างชัดเจนจากผลกระทบของแรงโน้มถ่วง ข้อมูลเชิงสังเกตยังชี้ให้เห็นว่าพลังงานสสารมืดนี้แบ่งออกเป็นสองส่วน:

• อย่างแรกคือสิ่งที่เรียกว่าสสารมืดที่มีความหนาแน่น
  W dm = 0.20–0.25, – ไม่ทราบ, มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคขนาดใหญ่เพียงเล็กน้อย (ไม่ใช่แบริออน) ตัวอย่างเช่น สิ่งเหล่านี้อาจเป็นอนุภาคเป็นกลางที่เสถียรซึ่งมีมวลตั้งแต่ 10 GeV/c2 ถึง 10 TeV/c2 ซึ่งทำนายโดยแบบจำลองสมมาตรยิ่งยวด รวมถึงนิวตริโนหนักเชิงสมมุติฐาน

ประการที่สองคือสิ่งที่เรียกว่าพลังงานมืดที่มีความหนาแน่น
W Λ = 0.70–0.75) ซึ่งแปลว่าสุญญากาศ นี่หมายถึงสสารรูปแบบพิเศษ - สุญญากาศทางกายภาพเช่น สถานะพลังงานต่ำสุดของสนามทางกายภาพที่แทรกซึมเข้าไปในอวกาศ

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์− ปฏิกิริยาฟิวชัน (การสังเคราะห์) ของนิวเคลียสแสงที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง ปฏิกิริยาเหล่านี้มักเกี่ยวข้องกับการปล่อยพลังงาน เนื่องจากในนิวเคลียสที่หนักกว่าซึ่งเกิดขึ้นจากการควบรวมกิจการ นิวคลีออนจะถูกผูกมัดอย่างแน่นหนามากขึ้น กล่าวคือ โดยเฉลี่ยแล้วจะมีพลังงานยึดเหนี่ยวสูงกว่านิวเคลียสที่ผสานกันตั้งแต่แรกเริ่ม พลังงานยึดเหนี่ยวรวมส่วนเกินของนิวคลีออนจะถูกปล่อยออกมาในรูปของพลังงานจลน์ของผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยา ชื่อ “ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์” สะท้อนถึงความจริงที่ว่าปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง ( > 10 7 –10 8 K) เนื่องจากนิวเคลียสแสงฟิวชั่นจะต้องมารวมกันในระยะทางเท่ากับรัศมีการกระทำของแรงดึงดูดของนิวเคลียร์เช่น ได้ถึงระยะ µ10 -13 ซม.

องค์ประกอบทรานซูรานิก- องค์ประกอบทางเคมีที่มีประจุ (จำนวนโปรตอน) มากกว่ายูเรเนียม เช่น ซี>92.

ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน- ปฏิกิริยาฟิชชันแบบยั่งยืนในตัวเองของนิวเคลียสหนักซึ่งมีการผลิตนิวตรอนอย่างต่อเนื่อง แบ่งนิวเคลียสใหม่มากขึ้นเรื่อยๆ

ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน- ลำดับของปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสของอะตอมหนักเมื่อพวกมันทำปฏิกิริยากับนิวตรอนหรืออนุภาคมูลฐานอื่น ๆ ซึ่งเป็นผลมาจากนิวเคลียสที่เบากว่า นิวตรอนใหม่ หรืออนุภาคมูลฐานอื่น ๆ เกิดขึ้นและปล่อยพลังงานนิวเคลียร์

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์- ลำดับต่อมา ปฏิกิริยานิวเคลียร์ตื่นเต้นกับอนุภาค (เช่น นิวตรอน) ที่เกิดขึ้นในแต่ละเหตุการณ์ปฏิกิริยา ขึ้นอยู่กับจำนวนเฉลี่ยของปฏิกิริยาหลังจากปฏิกิริยาหนึ่งก่อนหน้านี้ - น้อยกว่า เท่ากับ หรือมากกว่าหนึ่งปฏิกิริยา - ปฏิกิริยานี้เรียกว่าการสลาย การดำรงอยู่ได้ด้วยตนเอง หรือเพิ่มขึ้น

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์– ปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบยั่งยืนในตัวเองซึ่งมีสายโซ่นิวเคลียสเข้ามาเกี่ยวข้องตามลำดับ สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อหนึ่งในผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานิวเคลียร์ทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสอื่น ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาที่สองทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสถัดไป และอื่นๆ ปฏิกิริยาลูกโซ่ของปฏิกิริยานิวเคลียร์ตามมาทีหลังเกิดขึ้น ที่สุด ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงปฏิกิริยาดังกล่าวเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันที่เกิดจากนิวตรอน

ปฏิกิริยาคายความร้อน- ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยพลังงาน

อนุภาคมูลฐาน- อนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารทางกายภาพ แนวคิดเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานสะท้อนถึงขั้นความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของสสารที่วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ทำได้สำเร็จ นอกจากปฏิปักษ์แล้ว ยังมีการค้นพบอนุภาคมูลฐานประมาณ 300 อนุภาค คำว่า "อนุภาคมูลฐาน" นั้นมีเงื่อนไข เนื่องจากอนุภาคมูลฐานจำนวนมากมีโครงสร้างภายในที่ซับซ้อน

อนุภาคมูลฐาน– วัตถุวัตถุที่ไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วนประกอบได้ ตามคำจำกัดความนี้ โมเลกุล อะตอม และนิวเคลียสของอะตอมที่สามารถแบ่งออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ ไม่สามารถจัดเป็นอนุภาคมูลฐานได้ อะตอมแบ่งออกเป็นนิวเคลียสและอิเล็กตรอนในวงโคจร และนิวเคลียสจะแบ่งออกเป็นนิวคลีออน

พลังงานที่ส่งออกจากปฏิกิริยานิวเคลียร์- ความแตกต่างระหว่างพลังงานที่เหลือของนิวเคลียสและอนุภาคก่อนและหลังปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาดูดความร้อน- ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นกับการดูดซับพลังงาน

พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสของอะตอม(E St) - แสดงลักษณะความเข้มของปฏิสัมพันธ์ของนิวคลีออนในนิวเคลียสและเท่ากับพลังงานสูงสุดที่ต้องใช้เพื่อแบ่งนิวเคลียสออกเป็นนิวคลีออนที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์แต่ละตัวโดยไม่ต้องให้พลังงานจลน์แก่พวกมัน

เอฟเฟ็กต์มอสบ์ uaera - ปรากฏการณ์การดูดกลืนเรโซแนนซ์ของแกมมาควอนตัมโดยนิวเคลียสของอะตอมโดยไม่สูญเสียพลังงานเนื่องจากโมเมนตัมกลับ

แบบจำลองนิวเคลียร์ (ดาวเคราะห์) ของอะตอม- ตรงกลางมีนิวเคลียสที่มีประจุบวก (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 -15 ม.) รอบแกนกลาง เช่นเดียวกับดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงโคจรเป็นวงกลม

แบบจำลองนิวเคลียร์– คำอธิบายทางทฤษฎีที่เรียบง่ายของนิวเคลียสของอะตอม โดยอาศัยการเป็นตัวแทนของนิวเคลียสในฐานะวัตถุที่มีคุณสมบัติเฉพาะที่ทราบมาก่อน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน- ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสของอะตอมของธาตุหนักภายใต้อิทธิพลของนิวตรอน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์- ปฏิกิริยาการเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสของอะตอมอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันหรือกับอนุภาคมูลฐานใด ๆ

พลังงานนิวเคลียร์- นี่คือพลังงานที่ปล่อยออกมาอันเป็นผลมาจากการปรับโครงสร้างภายในของนิวเคลียสของอะตอม พลังงานนิวเคลียร์สามารถได้รับจากปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือการสลายกัมมันตภาพรังสีของนิวเคลียส แหล่งที่มาหลักของพลังงานนิวเคลียร์คือปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสหนักและฟิวชัน (รวมกัน) ของนิวเคลียสเบา กระบวนการหลังนี้เรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยาแสนสาหัส

กองกำลังนิวเคลียร์- แรงที่กระทำระหว่างนิวคลีออนในนิวเคลียสของอะตอมและกำหนดโครงสร้างและคุณสมบัติของนิวเคลียส พวกมันเป็นระยะสั้นระยะของมันอยู่ที่ 10 -15 ม.

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์- อุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ของการแยกตัวของนิวเคลียร์

ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันแบบยั่งยืนในตัวเองคือปฏิกิริยาลูกโซ่ในตัวกลางซึ่งมีตัวคูณการคูณ k >= 1

อุบัติเหตุนิวเคลียร์- อุบัติเหตุทางนิวเคลียร์คือการสูญเสียการควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ในเครื่องปฏิกรณ์หรือชั้นหิน มวลวิกฤตระหว่างการบรรจุใหม่ การขนส่ง และการจัดเก็บแท่งเชื้อเพลิง ผลจากอุบัติเหตุทางนิวเคลียร์ เนื่องจากความไม่สมดุลของความร้อนที่เกิดขึ้นและการกำจัดออก แท่งเชื้อเพลิงจึงได้รับความเสียหายจากการปล่อยผลิตภัณฑ์กัมมันตภาพรังสีออกมา ในกรณีนี้ การสัมผัสที่เป็นอันตรายกับผู้คนและการปนเปื้อนในพื้นที่โดยรอบอาจเป็นไปได้ .

ความปลอดภัยทางนิวเคลียร์- คำทั่วไปที่แสดงคุณลักษณะของสถานประกอบการทางนิวเคลียร์ในระหว่างการดำเนินการตามปกติและในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ เพื่อจำกัดผลกระทบของรังสีที่มีต่อบุคลากร สาธารณะ และสิ่งแวดล้อมให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้

นิวเคลียร์- กระบวนการที่มาพร้อมกับการแยกนิวเคลียสของอะตอมหนักเมื่อมีปฏิกิริยากับนิวตรอนหรืออนุภาคมูลฐานอื่น ๆ ซึ่งเป็นผลมาจากนิวเคลียสที่เบากว่า นิวตรอนใหม่ หรืออนุภาคมูลฐานอื่น ๆ เกิดขึ้นและปล่อยพลังงานออกมา

วัสดุนิวเคลียร์- วัสดุต้นทาง วัสดุนิวเคลียร์พิเศษ และบางครั้งแร่และของเสียจากแร่

การเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์- การเปลี่ยนแปลงของนิวไคลด์หนึ่งไปเป็นอีกนิวไคลด์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์- อุปกรณ์ที่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แบบควบคุม เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกจำแนกตามวัตถุประสงค์ พลังงานนิวตรอน ประเภทของสารหล่อเย็นและตัวหน่วง โครงสร้างแกนกลาง การออกแบบ และคุณลักษณะเฉพาะอื่นๆ

ปฏิกิริยานิวเคลียร์- การเปลี่ยนแปลงของนิวเคลียสของอะตอมที่เกิดจากปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคมูลฐานหรือซึ่งกันและกันและมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของมวล ประจุ หรือสถานะพลังงานของนิวเคลียส

เชื้อเพลิงนิวเคลียร์- วัสดุที่มีนิวไคลด์ฟิสไซล์ ซึ่งเมื่อวางในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้ มีความเข้มข้นของพลังงานที่สูงมาก (โดยการแยกตัวสมบูรณ์ของ U-235 1 กิโลกรัม พลังงานเท่ากับ J จะถูกปล่อยออกมา ในขณะที่การเผาไหม้เชื้อเพลิงอินทรีย์ 1 กิโลกรัมจะปล่อยพลังงานออกมาในลำดับ (3-5) J ขึ้นอยู่กับ ตามประเภทของน้ำมันเชื้อเพลิง)

วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์- ชุดมาตรการเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ดำเนินการในระบบขององค์กรที่เชื่อมโยงถึงกันด้วยการไหลของวัสดุนิวเคลียร์และรวมถึงเหมืองยูเรเนียม, โรงงานสำหรับการแปรรูปแร่ยูเรเนียม, การแปลงยูเรเนียม, การเสริมสมรรถนะและการผลิตเชื้อเพลิง, เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์, เชื้อเพลิงใช้แล้ว สถานที่จัดเก็บ เชื้อเพลิงใช้แล้วในโรงงานแปรรูปเชื้อเพลิงใช้แล้ว และสิ่งอำนวยความสะดวกการจัดเก็บขั้นกลางที่เกี่ยวข้อง และสิ่งอำนวยความสะดวกในการกำจัดกากกัมมันตภาพรังสี

การติดตั้งนิวเคลียร์- สิ่งอำนวยความสะดวกใด ๆ ที่มีการสร้าง แปรรูป หรือจัดการวัสดุกัมมันตภาพรังสีหรือฟิสไซล์ในปริมาณที่จำเป็นโดยคำนึงถึงประเด็นด้านความปลอดภัยทางนิวเคลียร์

พลังงานนิวเคลียร์- พลังงานภายในของนิวเคลียสของอะตอมที่ปล่อยออกมาระหว่างการแยกตัวของนิวเคลียร์หรือปฏิกิริยานิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่มีวัตถุประสงค์หลักเพื่อผลิตพลังงาน

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อจัดระเบียบปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันแบบควบคุมได้ด้วยตนเอง - ลำดับของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันซึ่งนิวตรอนอิสระถูกปล่อยออกมา ซึ่งจำเป็นสำหรับการแตกตัวของนิวเคลียสใหม่

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์นิวตรอนเร็ว- เครื่องปฏิกรณ์มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในสเปกตรัมของนิวตรอน - การกระจายตัวของนิวตรอนด้วยพลังงาน และด้วยเหตุนี้จึงอยู่ในสเปกตรัมของนิวตรอนที่ถูกดูดซับ (ทำให้เกิดฟิชชันของนิวเคลียร์) หากแกนกลางไม่มีนิวเคลียสเบาที่ออกแบบมาเพื่อการกลั่นกรองโดยเฉพาะอันเป็นผลมาจากการกระเจิงแบบยืดหยุ่น ดังนั้นการกลั่นกรองเกือบทั้งหมดก็เนื่องมาจากการกระเจิงนิวตรอนแบบไม่ยืดหยุ่นโดยนิวเคลียสมวลหนักและมวลปานกลาง ในกรณีนี้ ฟิชชันส่วนใหญ่เกิดจากนิวตรอนที่มีพลังงานประมาณสิบถึงร้อย keV เครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าวเรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์นิวตรอนความร้อน- เครื่องปฏิกรณ์ที่แกนกลางมีสารหน่วงไฟอยู่เป็นจำนวนมาก - วัสดุที่ออกแบบมาเพื่อลดพลังงานของนิวตรอนโดยไม่ต้องดูดซับพวกมันมากนัก - ซึ่งฟิชชันส่วนใหญ่เกิดจากนิวตรอนที่มีพลังงานน้อยกว่า 1 eV

กองกำลังนิวเคลียร์- แรงที่ยึดนิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) ไว้ในนิวเคลียส

กองกำลังนิวเคลียร์นั้น ออกฤทธิ์สั้น - ปรากฏเฉพาะในระยะห่างที่น้อยมากระหว่างนิวเคลียสในนิวเคลียสประมาณ 10 -15 ม. เรียกว่าความยาว (1.5 - 2.2) 10 -15 ช่วงของแรงนิวเคลียร์ .

กองกำลังนิวเคลียร์ค้นพบ ชาร์จความเป็นอิสระ กล่าวคือแรงดึงดูดระหว่างนิวคลีออนสองตัวจะเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงสถานะประจุของนิวคลีออน - โปรตอนหรือนิวตรอน

กองกำลังนิวเคลียร์ก็มี คุณสมบัติความอิ่มตัว ซึ่งแสดงให้เห็นความจริงที่ว่านิวคลีออนในนิวเคลียสมีปฏิสัมพันธ์กับนิวคลีออนที่อยู่ใกล้เคียงจำนวนจำกัดเท่านั้น ความอิ่มตัวของแรงนิวเคลียร์ที่เกือบจะสมบูรณ์นั้นเกิดขึ้นได้ในอนุภาค α ซึ่งเป็นชั้นหินที่เสถียรมาก

กองกำลังนิวเคลียร์ ขึ้นอยู่กับการวางแนวของการหมุนของนิวคลีออนที่มีปฏิสัมพันธ์กัน - สิ่งนี้ได้รับการยืนยันโดยธรรมชาติที่แตกต่างกันของการกระเจิงของนิวตรอนโดยโมเลกุลของไอออร์โธและไฮโดรเจน

กองกำลังนิวเคลียร์ ไม่ใช่กองกำลังส่วนกลาง .

• การแปล

ที่ศูนย์กลางของอะตอมทุกอะตอมคือนิวเคลียส ซึ่งเป็นกลุ่มอนุภาคเล็กๆ ที่เรียกว่าโปรตอนและนิวตรอน ในบทความนี้ เราจะศึกษาธรรมชาติของโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า เช่น ควาร์ก กลูออน และแอนติควาร์ก (กลูออนก็เหมือนกับโฟตอน ที่เป็นปฏิปักษ์ของพวกมันเอง) เท่าที่เราทราบ ควาร์กและกลูออนสามารถเป็นองค์ประกอบเบื้องต้นได้อย่างแท้จริง (แบ่งแยกไม่ได้และไม่ได้ประกอบด้วยสิ่งที่มีขนาดเล็กกว่า) แต่สำหรับพวกเขาในภายหลัง

น่าแปลกที่โปรตอนและนิวตรอนมีมวลเกือบเท่ากัน โดยมีความแม่นยำเป็นเปอร์เซ็นต์:

• 0.93827 GeV/c 2 สำหรับโปรตอน
• 0.93957 GeV/c 2 สำหรับนิวตรอน

นี่คือกุญแจสำคัญในธรรมชาติของพวกเขา - จริงๆ แล้วพวกมันคล้ายกันมาก ใช่ มีข้อแตกต่างที่ชัดเจนอย่างหนึ่งระหว่างโปรตอนคือ โปรตอนมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก ในขณะที่นิวตรอนไม่มีประจุ (มันเป็นกลาง จึงเป็นที่มาของชื่อ) ดังนั้น แรงไฟฟ้าจะกระทำที่อันแรก แต่ไม่ใช่ในอันที่สอง เมื่อมองแวบแรกความแตกต่างนี้ดูสำคัญมาก! แต่จริงๆแล้วมันไม่ใช่ ในแง่อื่นๆ โปรตอนและนิวตรอนแทบจะเป็นฝาแฝดกัน พวกมันมีเหมือนกันไม่เพียงแต่มวลเท่านั้นแต่ยังมีด้วย โครงสร้างภายใน.

เนื่องจากพวกมันคล้ายกันมากและเนื่องจากอนุภาคเหล่านี้ประกอบเป็นนิวเคลียส โปรตอนและนิวตรอนจึงมักถูกเรียกว่านิวคลีออน

โปรตอนถูกระบุและอธิบายไว้ราวปี ค.ศ. 1920 (แม้ว่าจะถูกค้นพบก่อนหน้านี้ นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนเป็นเพียงโปรตอนเดี่ยว) และนิวตรอนถูกค้นพบราวปี ค.ศ. 1933 เป็นที่ทราบกันแทบจะในทันทีว่าโปรตอนและนิวตรอนมีความคล้ายคลึงกันมาก แต่ความจริงที่ว่าพวกมันมีขนาดที่วัดได้ซึ่งเทียบได้กับขนาดของนิวเคลียส (รัศมีเล็กกว่าอะตอมประมาณ 100,000 เท่า) ไม่เป็นที่รู้จักจนกระทั่งปี 1954 การที่พวกมันประกอบด้วยควาร์ก แอนติควาร์ก และกลูออน ค่อยๆ เป็นที่เข้าใจกันตั้งแต่กลางทศวรรษ 1960 ถึงกลางทศวรรษ 1970 ในช่วงปลายทศวรรษที่ 70 และต้นทศวรรษที่ 80 ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับโปรตอน นิวตรอน และส่วนประกอบของพวกมันได้คลี่คลายลงอย่างมาก และยังคงไม่เปลี่ยนแปลงนับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา

นิวคลีออนอธิบายได้ยากกว่าอะตอมหรือนิวเคลียสมาก ไม่ต้องบอกว่าอะตอมนั้นมีพื้นฐานง่ายๆ แต่อย่างน้อยใครๆ ก็พูดได้โดยไม่ต้องคิดว่าอะตอมฮีเลียมประกอบด้วยอิเล็กตรอนสองตัวที่โคจรรอบนิวเคลียสฮีเลียมเล็กๆ และนิวเคลียสฮีเลียมเป็นกลุ่มที่ค่อนข้างง่ายประกอบด้วยนิวตรอนสองตัวและโปรตอนสองตัว แต่สำหรับนิวเคลียส ทุกอย่างไม่ง่ายอย่างนั้น ฉันได้เขียนไปแล้วในบทความ “โปรตอนคืออะไรและมีอะไรอยู่ข้างใน” ว่าอะตอมเป็นเหมือนมินูเอตที่สง่างาม และนิวคลีออนก็เหมือนกับปาร์ตี้ที่ดุเดือด

ความซับซ้อนของโปรตอนและนิวตรอนดูเหมือนจะเกิดขึ้นจริง และไม่ได้เกิดจากความรู้ทางฟิสิกส์ที่ไม่สมบูรณ์ เรามีสมการที่ใช้อธิบายควาร์ก แอนติควาร์ก และกลูออน และปฏิกิริยานิวเคลียร์รุนแรงที่เกิดขึ้นระหว่างพวกมัน สมการเหล่านี้เรียกว่า QCD จากโครโมไดนามิกส์ควอนตัม สามารถตรวจสอบความถูกต้องของสมการได้ วิธีทางที่แตกต่างรวมถึงการวัดจำนวนอนุภาคที่ปรากฏที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ ด้วยการเสียบสมการ QCD เข้ากับคอมพิวเตอร์และทำการคำนวณคุณสมบัติของโปรตอนและนิวตรอน และอนุภาคอื่นๆ ที่คล้ายกัน (เรียกรวมกันว่า "แฮดรอน") เราจึงสามารถคาดการณ์คุณสมบัติของอนุภาคเหล่านี้ได้ซึ่งใกล้เคียงกับการสังเกตที่เกิดขึ้นใน โลกแห่งความจริง- ดังนั้นเราจึงมีเหตุผลที่จะเชื่อว่าสมการ QCD ไม่ได้โกหก และความรู้ของเราเกี่ยวกับโปรตอนและนิวตรอนนั้นขึ้นอยู่กับสมการที่ถูกต้อง แต่การมีสมการที่ถูกต้องนั้นไม่เพียงพอ เนื่องจาก:

• ยู สมการง่ายๆการตัดสินใจอาจเป็นเรื่องยากมาก
• บางครั้งมันก็เป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายการตัดสินใจที่ซับซ้อนด้วยวิธีง่ายๆ

เท่าที่เราสามารถบอกได้ นี่เป็นกรณีของนิวคลีออนอย่างแน่นอน พวกมันเป็นคำตอบที่ซับซ้อนของสมการ QCD ที่ค่อนข้างง่าย และไม่สามารถอธิบายพวกมันด้วยคำหรือรูปภาพสองสามคำได้

เนื่องจากความซับซ้อนโดยธรรมชาติของนิวคลีออน คุณผู้อ่านจะต้องตัดสินใจเลือก: คุณต้องการทราบความซับซ้อนที่อธิบายไว้มากแค่ไหน? ไม่ว่าคุณจะไปไกลแค่ไหน ก็มักจะไม่ทำให้คุณพึงพอใจ ยิ่งคุณเรียนรู้มากเท่าไร หัวข้อก็จะชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น แต่คำตอบสุดท้ายจะยังคงเหมือนเดิม - โปรตอนและนิวตรอนนั้นซับซ้อนมาก ฉันสามารถเสนอความเข้าใจให้คุณสามระดับพร้อมรายละเอียดที่เพิ่มขึ้น คุณสามารถหยุดหลังจากเลเวลใดก็ได้และไปยังหัวข้ออื่น ๆ หรือคุณสามารถดำน้ำไปจนถึงหัวข้อสุดท้ายก็ได้ แต่ละระดับทำให้เกิดคำถามที่ฉันสามารถตอบได้บางส่วนในส่วนถัดไป แต่คำตอบใหม่ทำให้เกิดคำถามใหม่ ท้ายที่สุด เช่นเดียวกับที่ฉันทำในการสนทนาอย่างมืออาชีพกับเพื่อนร่วมงานและนักเรียนขั้นสูง ฉันสามารถอ้างอิงถึงข้อมูลที่ได้รับจากการทดลองจริง ข้อโต้แย้งทางทฤษฎีที่มีอิทธิพลต่างๆ และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เท่านั้น

ความเข้าใจระดับแรก

โปรตอนและนิวตรอนทำมาจากอะไร?

ข้าว. 1: โปรตอนแบบง่ายเกินไป ประกอบด้วยอัพควาร์กเพียง 2 ตัวและดาวน์ควาร์ก 1 ตัว และนิวตรอนที่ประกอบด้วยดาวน์ควาร์กเพียง 2 ตัวและอัพควาร์ก 1 ตัว

เพื่อให้เรื่องง่ายขึ้น หนังสือ บทความ และเว็บไซต์หลายเล่มระบุว่าโปรตอนประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว (อัพควาร์ก 2 ตัวและดาวน์ควาร์ก 1 ตัว) แล้ววาดรูปคล้ายรูปที่ 1 1. นิวตรอนมีค่าเท่ากัน ประกอบด้วยควาร์กขึ้นหนึ่งตัวและควาร์กลงสองตัวเท่านั้น ภาพง่ายๆ นี้แสดงให้เห็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อ ส่วนใหญ่ในทศวรรษ 1960 แต่ในไม่ช้าก็ชัดเจนว่ามุมมองนี้ถูกทำให้ง่ายเกินไปจนไม่ถูกต้องอีกต่อไป

จากแหล่งข้อมูลที่ซับซ้อนมากขึ้น คุณจะได้เรียนรู้ว่าโปรตอนประกอบด้วยควาร์กสามตัว (สองตัวขึ้นและหนึ่งตัวลง) จับติดกันด้วยกลูออน และภาพที่คล้ายกับรูปที่ 1 อาจปรากฏขึ้น 2 โดยที่กลูออนถูกดึงออกมาเป็นสปริงหรือสายที่ยึดควาร์ก นิวตรอนก็เหมือนกัน มีอัพควาร์ก 1 ตัวและดาวน์ควาร์ก 2 ตัวเท่านั้น

ข้าว. 2: การปรับปรุงรูปที่ 1 เนื่องจากการเน้นย้ำถึงบทบาทที่สำคัญของแรงนิวเคลียร์อย่างแรงซึ่งกักเก็บควาร์กไว้ในโปรตอน

นี่ไม่ใช่วิธีที่แย่นักในการอธิบายนิวคลีออน เพราะมันเน้นย้ำถึงบทบาทที่สำคัญของแรงนิวเคลียร์อย่างแรง ซึ่งเก็บควาร์กไว้ในโปรตอนโดยแทนที่กลูออน (เช่นเดียวกับโฟตอนซึ่งเป็นอนุภาคที่ประกอบเป็นแสงมีความเกี่ยวข้อง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า) แต่นี่ก็น่าสับสนเช่นกัน เพราะไม่ได้อธิบายจริงๆ ว่ากลูออนคืออะไรหรือทำหน้าที่อะไร

มีเหตุผลที่ต้องอธิบายสิ่งต่างๆ ในแบบที่ผมทำต่อไป โปรตอนประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว (สองตัวขึ้นและลง 1 ตัว) กลูออนจำนวนหนึ่ง และภูเขาคู่ควาร์ก-แอนติควาร์ก (ส่วนใหญ่เป็นควาร์กขึ้นและลง แต่ ก็มีอันแปลกๆ บ้างเหมือนกัน) พวกมันบินไปมาด้วยความเร็วสูงมาก (เข้าใกล้ความเร็วแสง); เซตทั้งหมดนี้ถูกยึดไว้ด้วยกันด้วยพลังนิวเคลียร์อันแข็งแกร่ง ฉันสาธิตสิ่งนี้ในรูป 3. นิวตรอนก็เหมือนเดิมอีกครั้ง แต่มีควาร์กหนึ่งขึ้นและสองลง ควาร์กที่เปลี่ยนเอกลักษณ์ของมันจะถูกระบุด้วยลูกศร

ข้าว. 3: เป็นตัวแทนของโปรตอนและนิวตรอนที่สมจริงยิ่งขึ้น แม้ว่าจะยังไม่สมบูรณ์ก็ตาม

ควาร์ก แอนติควาร์ก และกลูออนเหล่านี้ไม่เพียงวิ่งไปมาอย่างดุเดือดเท่านั้น แต่ยังชนกันและกลายเป็นกันและกันผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น การทำลายล้างอนุภาค (ซึ่งควาร์กและแอนติควาร์กประเภทเดียวกันกลายเป็นกลูออนสองตัวหรือรอง ในทางกลับกัน) หรือการดูดกลืนและการปล่อยกลูออน (ซึ่งควาร์กและกลูออนสามารถชนกันและทำให้เกิดควาร์กและกลูออนสองตัว หรือในทางกลับกัน)

คำอธิบายทั้งสามนี้มีอะไรเหมือนกัน:

• อัพควาร์กสองตัวและดาวน์ควาร์กหนึ่งตัว (บวกอย่างอื่นด้วย) สำหรับโปรตอน
• นิวตรอนมีอัพควาร์ก 1 ตัวและดาวน์ควาร์ก 2 ตัว (บวกอย่างอื่นด้วย)
• “อย่างอื่น” ของนิวตรอนเกิดขึ้นพร้อมกับ “อย่างอื่น” ของโปรตอน นั่นคือนิวคลีออนมี "อย่างอื่น" เหมือนกัน
• ความแตกต่างเล็กน้อยของมวลระหว่างโปรตอนและนิวตรอนปรากฏขึ้นเนื่องจากความแตกต่างของมวลของควาร์กดาวน์และควาร์กอัพ

และเพราะว่า:

• สำหรับท็อปควาร์ก ประจุไฟฟ้าจะเท่ากับ 2/3 e (โดยที่ e คือประจุของโปรตอน -e คือประจุของอิเล็กตรอน)
• ควาร์กด้านล่างมีประจุ -1/3e
• กลูออนมีประจุเป็น 0
• ควาร์กใดๆ และแอนติควาร์กที่สอดคล้องกันมีประจุรวมเป็น 0 (เช่น ควาร์กต้านดาวน์มีประจุ +1/3e ดังนั้นดาวน์ควาร์กและดาวน์ควาร์กจะมีประจุ –1/3 e +1/3 อี = 0)

แต่ละรูปจะกำหนดประจุไฟฟ้าของโปรตอนให้กับอัพควาร์ก 2 ตัวและดาวน์ควาร์ก 1 ตัว โดยมี "อย่างอื่น" เพิ่ม 0 ให้กับประจุ ในทำนองเดียวกัน นิวตรอนมีประจุเป็นศูนย์เนื่องจากควาร์กขึ้น 1 ตัวและดาวน์ 2 ตัว:

• ประจุไฟฟ้าทั้งหมดของโปรตอนคือ 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e
• ประจุไฟฟ้าทั้งหมดของนิวตรอนคือ 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0

คำอธิบายเหล่านี้แตกต่างกันในลักษณะต่อไปนี้:

• มี "อย่างอื่น" อยู่ในนิวคลีออนมากแค่ไหน
• มันกำลังทำอะไรอยู่ที่นั่น
• มวลและพลังงานมวล (E = mc 2 ซึ่งเป็นพลังงานที่มีอยู่ตรงนั้นแม้ว่าอนุภาคจะนิ่งอยู่ก็ตาม) ของนิวคลีออนมาจากไหน

เนื่องจากมวลส่วนใหญ่ของอะตอมและสสารทั่วไปทั้งหมดมีอยู่ในโปรตอนและนิวตรอน จุดหลังจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจธรรมชาติของเราอย่างถูกต้อง

ข้าว. 1 กล่าวว่าควาร์กโดยพื้นฐานแล้วเป็นหนึ่งในสามของนิวเคลียส - เช่นเดียวกับโปรตอนหรือนิวตรอนคือหนึ่งในสี่ของนิวเคลียสฮีเลียมหรือ 1/12 ของนิวเคลียสของคาร์บอน หากภาพนี้เป็นจริง ควาร์กในนิวคลีออนจะเคลื่อนที่ค่อนข้างช้า (ด้วยความเร็วช้ากว่าแสงมาก) โดยมีปฏิกิริยาระหว่างพวกมันค่อนข้างน้อย (แม้ว่าจะมีพลังอันทรงพลังบางอย่างยึดพวกมันไว้กับที่) มวลของควาร์กขึ้นและลงจะมีค่าประมาณ 0.3 GeV/c 2 หรือประมาณหนึ่งในสามของมวลโปรตอน แต่ภาพที่เรียบง่ายและแนวคิดที่ส่งเสริมนั้นผิด

ข้าว. 3. ให้แนวคิดที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเกี่ยวกับโปรตอน เหมือนกับหม้อขนาดใหญ่ที่มีอนุภาควิ่งวนไปมาด้วยความเร็วใกล้แสง อนุภาคเหล่านี้ชนกัน และในการชนเหล่านี้ อนุภาคบางส่วนถูกทำลายล้าง และอนุภาคอื่นๆ ถูกสร้างขึ้นมาแทนที่ กลูออนไม่มีมวล มวลของท็อปควาร์กมีค่าประมาณ 0.004 GeV/s 2 และมวลของควาร์กด้านล่างมีค่าประมาณ 0.008 GeV/s 2 ซึ่งน้อยกว่าโปรตอนหลายร้อยเท่า คำถามที่ซับซ้อนว่าพลังงานของมวลโปรตอนมาจากไหน ส่วนหนึ่งมาจากพลังงานของมวลของควาร์กและแอนติควาร์ก ส่วนหนึ่งมาจากพลังงานการเคลื่อนที่ของควาร์ก แอนติควาร์กและกลูออน และส่วนหนึ่ง (อาจเป็นบวกหรืออาจเป็นลบก็ได้ ) จากพลังงานที่สะสมอยู่ในปฏิกิริยานิวเคลียร์อย่างแรง การยึดควาร์ก แอนติควาร์ก และกลูออนไว้ด้วยกัน

ในความหมายหนึ่ง รูปที่. พยายามแก้ไขความแตกต่างระหว่างรูป 2 ครั้ง 1 และรูป 3. ทำให้รูปง่ายขึ้น 3 โดยนำคู่ควาร์ก-แอนติควาร์กออกจำนวนมาก ซึ่งโดยหลักการแล้วสามารถเรียกว่าชั่วคราวได้ เนื่องจากพวกมันปรากฏและหายไปอยู่ตลอดเวลาและไม่จำเป็น แต่มันให้ความรู้สึกว่ากลูออนในนิวคลีออนเป็นส่วนโดยตรงของแรงนิวเคลียร์อย่างแรงที่ยึดโปรตอนไว้ด้วยกัน และไม่ได้อธิบายว่ามวลของโปรตอนมาจากไหน

ในรูป 1 มีข้อเสียเปรียบอีกประการหนึ่ง นอกเหนือจากกรอบแคบของโปรตอนและนิวตรอน ไม่ได้อธิบายคุณสมบัติบางอย่างของแฮดรอนอื่นๆ เช่น ไพออนและโรมีซอน รูปที่มีปัญหาเดียวกัน 2.

ข้อจำกัดเหล่านี้ทำให้ฉันให้รูปภาพจากรูปที่ 1 กับนักเรียนและบนเว็บไซต์ของฉัน 3. แต่ฉันต้องการเตือนคุณว่ามันมีข้อจำกัดมากมายเช่นกัน ซึ่งฉันจะหารือในภายหลัง

เป็นที่น่าสังเกตว่าความซับซ้อนอย่างมากของโครงสร้างโดยนัยตามรูปที่ 1 คาดว่าจะมีระดับ 3 จากวัตถุที่ถูกยึดไว้ด้วยกันด้วยพลังที่มีกำลังพอๆ กับพลังนิวเคลียร์อย่างสูง และอีกอย่างหนึ่ง: ควาร์กสามตัว (สองตัวขึ้นและลงหนึ่งตัวสำหรับโปรตอน) ที่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มคู่ควาร์ก-แอนติควาร์ก มักถูกเรียกว่า "วาเลนซ์ควาร์ก" และคู่ควาร์ก-แอนติควาร์กเรียกว่า "ทะเลแห่ง คู่ควาร์ก” ภาษาดังกล่าวมีความสะดวกทางเทคนิคในหลายกรณี แต่มันให้ความรู้สึกผิดๆ ว่าถ้าคุณมองเข้าไปในโปรตอนและมองไปที่ควาร์กตัวใดตัวหนึ่งได้ คุณจะบอกได้ทันทีว่ามันเป็นส่วนหนึ่งของทะเลหรือเวเลนซ์ สิ่งนี้ไม่สามารถทำได้ ไม่มีทางเช่นนั้น

มวลโปรตอนและมวลนิวตรอน

เนื่องจากมวลของโปรตอนและนิวตรอนคล้ายกันมาก และเนื่องจากโปรตอนและนิวตรอนแตกต่างกันเพียงแต่แทนที่อัพควาร์กด้วยควาร์กล่างเท่านั้น จึงดูเหมือนว่ามวลของพวกมันจะถูกจัดเตรียมในลักษณะเดียวกันและมาจากแหล่งเดียวกัน และความแตกต่างอยู่ที่ความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างควาร์กขึ้นและลง แต่ตัวเลขทั้งสามข้างบนนี้บ่งบอกถึงการมีอยู่ของมุมมองที่แตกต่างกันมากสามประการเกี่ยวกับกำเนิดมวลโปรตอน

ข้าว. 1 กล่าวว่าควาร์กขึ้นและลงประกอบขึ้นเป็น 1/3 ของมวลโปรตอนและนิวตรอน ตามลำดับ 0.313 GeV/c 2 หรือเนื่องจากพลังงานที่ต้องใช้ในการกักเก็บควาร์กในโปรตอน และเนื่องจากความแตกต่างระหว่างมวลของโปรตอนและนิวตรอนเป็นเศษส่วนของเปอร์เซ็นต์ ความแตกต่างระหว่างมวลของควาร์กขึ้นและลงจึงต้องเป็นเศษส่วนของเปอร์เซ็นต์ด้วย

ข้าว. 2 ไม่ค่อยชัดเจน มวลของโปรตอนเกิดจากกลูออนเป็นเท่าใด แต่โดยหลักการแล้ว จากรูปที่มวลโปรตอนส่วนใหญ่ยังคงมาจากมวลควาร์ก ดังในรูป 1.

ข้าว. 3 สะท้อนถึงวิธีการที่ละเอียดยิ่งขึ้นว่ามวลของโปรตอนเกิดขึ้นได้อย่างไร (เนื่องจากเราสามารถทดสอบได้โดยตรงผ่านการคำนวณโปรตอนด้วยคอมพิวเตอร์ และด้วยวิธีทางอ้อมโดยใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์อื่นๆ) มันแตกต่างอย่างมากจากแนวคิดที่นำเสนอในรูป 1 และ 2 และปรากฎว่าไม่ง่ายนัก

เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงาน คุณไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงมวลของโปรตอน m แต่ในแง่ของพลังงานมวล E = mc 2 ซึ่งเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับมวล ตามแนวคิดแล้ว คำถามที่ถูกต้องไม่ใช่ "มวลโปรตอน m มาจากไหน" หลังจากนั้นคุณสามารถคำนวณ E ได้โดยการคูณ m ด้วย c 2 แต่ในทางกลับกัน: "พลังงานของมวลโปรตอน E มาจากไหน" หลังจากนั้น ซึ่งคุณสามารถคำนวณมวล m ได้โดยการหาร E ด้วย c 2

มีประโยชน์ในการจำแนกการมีส่วนร่วมของพลังงานมวลโปรตอนออกเป็นสามกลุ่ม:

A) พลังงานมวล (พลังงานนิ่ง) ของควาร์กและแอนติควาร์กที่มีอยู่ในนั้น (กลูออน อนุภาคไร้มวล ไม่ได้มีส่วนช่วยใดๆ)
B) พลังงานแห่งการเคลื่อนที่ (พลังงานจลน์) ของควาร์ก แอนติควาร์ก และกลูออน
C) พลังงานอันตรกิริยา (พลังงานยึดเหนี่ยวหรือพลังงานศักย์) ที่สะสมอยู่ในปฏิกิริยานิวเคลียร์อย่างแรง (หรือแม่นยำยิ่งขึ้นในสนามกลูออน) ที่ยึดโปรตอนไว้

ข้าว. 3 กล่าวว่าอนุภาคภายในโปรตอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง และเต็มไปด้วยกลูออนไร้มวล ดังนั้นการมีส่วนร่วมของ B) จึงมากกว่า A) โดยทั่วไปแล้ว ในระบบทางกายภาพส่วนใหญ่ B) และ C) จะกลายเป็นสิ่งที่สามารถเปรียบเทียบได้ ในขณะที่ C) มักจะเป็นลบ ดังนั้นพลังงานมวลของโปรตอน (และนิวตรอน) ส่วนใหญ่มาจากการรวมกันของ B) และ C) โดยที่ A) มีสัดส่วนเพียงเล็กน้อย ดังนั้นมวลของโปรตอนและนิวตรอนจึงปรากฏโดยหลักแล้วไม่ใช่เพราะมวลของอนุภาคที่พวกมันบรรจุอยู่ แต่เป็นเพราะพลังงานการเคลื่อนที่ของอนุภาคเหล่านี้และพลังงานของปฏิสัมพันธ์ของพวกมันที่เกี่ยวข้องกับสนามกลูออนที่สร้างแรงที่ยึด โปรตอน. ในระบบอื่นๆ ส่วนใหญ่ที่เราคุ้นเคย ความสมดุลของพลังงานมีการกระจายแตกต่างออกไป ตัวอย่างเช่นในอะตอมและใน ระบบสุริยะ A) ครอบงำและ B) และ C) มีขนาดเล็กกว่ามากและมีขนาดเทียบเคียงได้

เพื่อสรุป เราชี้ให้เห็นว่า:

• ข้าว. 1 ถือว่าพลังงานมวลโปรตอนมาจากส่วน A)
• ข้าว. 2 ถือว่าทั้งการมีส่วนร่วม A) และ B) มีความสำคัญ โดยที่ B) มีส่วนสนับสนุนเล็กน้อย
• ข้าว. 3 แสดงให้เห็นว่า B) และ C) มีความสำคัญ และการมีส่วนร่วมของ A) กลับกลายเป็นว่าไม่มีนัยสำคัญ

เรารู้ว่ารูปนี้ถูกต้อง 3. เราสามารถรันการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อทดสอบได้ และที่สำคัญกว่านั้น ต้องขอบคุณข้อโต้แย้งทางทฤษฎีที่น่าสนใจหลายประการ เรารู้ว่าถ้ามวลควาร์กขึ้นและลงเป็นศูนย์ (และทุกอย่างยังคงอยู่เหมือนเดิม) มวลของโปรตอนก็จะเท่ากับ แทบไม่มีเลยจะมีการเปลี่ยนแปลง เห็นได้ชัดว่ามวลควาร์กไม่สามารถมีส่วนสำคัญต่อมวลโปรตอนได้

ถ้ารูป 3 ไม่ได้โกหก มวลของควาร์กและแอนติควาร์กมีขนาดเล็กมาก จริงๆแล้วพวกเขาเป็นอย่างไร? มวลของท็อปควาร์ก (เช่นเดียวกับแอนติควาร์ก) จะต้องไม่เกิน 0.005 GeV/c 2 ซึ่งน้อยกว่า 0.313 GeV/c 2 มาก ซึ่งตามมาจากรูปที่ 1 1. (มวลของอัพควาร์กนั้นวัดได้ยากและแปรผันเนื่องจากผลกระทบเล็กๆ น้อยๆ ดังนั้นมันอาจจะน้อยกว่า 0.005 GeV/c2 มาก) มวลของควาร์กก้นมีค่าประมาณ 0.004 GeV/s ซึ่งมากกว่ามวลของควาร์กชั้นบนประมาณ 0.004 GeV/s 2 ซึ่งหมายความว่ามวลของควาร์กหรือแอนติควาร์กใดๆ จะต้องไม่เกินร้อยละ 1 ของมวลโปรตอน

โปรดทราบว่านี่หมายความว่า (ตรงกันข้ามกับรูปที่ 1) อัตราส่วนของดาวน์ควาร์กต่อมวลควาร์กที่ขึ้นไม่เข้าใกล้ความสามัคคี! มวลของควาร์กลงต้องมีมวลเป็นสองเท่าของมวลของควาร์กขึ้นเป็นอย่างน้อย เหตุผลที่มวลของนิวตรอนและโปรตอนคล้ายกันมากไม่ใช่เพราะมวลของควาร์กขึ้นและลงมีความคล้ายคลึงกัน แต่เนื่องจากมวลของควาร์กขึ้นและลงมีขนาดเล็กมาก - และความแตกต่างระหว่างพวกมันมีขนาดเล็ก ซึ่งสัมพันธ์กัน ไปจนถึงมวลของโปรตอนและนิวตรอน โปรดจำไว้ว่าในการเปลี่ยนโปรตอนให้เป็นนิวตรอน คุณเพียงแค่ต้องแทนที่อัพควาร์กตัวหนึ่งด้วยควาร์กดาวน์ (รูปที่ 3) การแทนที่นี้เพียงพอที่จะทำให้นิวตรอนหนักกว่าโปรตอนเล็กน้อย และเปลี่ยนประจุจาก +e เป็น 0

อย่างไรก็ตาม ความจริงที่ว่าอนุภาคต่างๆ ภายในโปรตอนชนกัน และปรากฏขึ้นและหายไปอยู่ตลอดเวลา ไม่ส่งผลกระทบต่อสิ่งที่เรากำลังพูดถึง - พลังงานจะถูกอนุรักษ์ไว้ในการชนใดๆ พลังงานมวลและพลังงานการเคลื่อนที่ของควาร์กและกลูออนสามารถเปลี่ยนแปลงได้ เช่นเดียวกับพลังงานของปฏิกิริยาระหว่างกัน แต่พลังงานทั้งหมดของโปรตอนไม่เปลี่ยนแปลง แม้ว่าทุกสิ่งภายในนั้นจะเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาก็ตาม ดังนั้นมวลของโปรตอนจึงคงที่แม้จะมีกระแสน้ำวนภายในก็ตาม

ณ จุดนี้คุณสามารถหยุดและซึมซับข้อมูลที่ได้รับได้ อัศจรรย์! มวลเกือบทั้งหมดที่มีอยู่ในสสารธรรมดามาจากมวลของนิวคลีออนในอะตอม และมวลส่วนใหญ่นี้มาจากความโกลาหลที่มีอยู่ในโปรตอนและนิวตรอน - จากพลังงานการเคลื่อนที่ของควาร์ก กลูออน และแอนติควาร์กในนิวเคลียส และจากพลังงานของปฏิกิริยานิวเคลียร์รุนแรงที่ยึดนิวคลีออนไว้ในสถานะทั้งหมด ใช่ โลกของเรา ร่างกายของเรา ลมหายใจของเรา เป็นผลมาจากความเงียบงัน และจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ความวุ่นวายที่ไม่อาจจินตนาการได้

ร่างกายตามธรรมชาติทั้งหมดถูกสร้างขึ้นจากสสารประเภทหนึ่งที่เรียกว่าสสาร สารแบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลัก - สารเชิงเดี่ยวและสารเชิงซ้อน

สารเชิงซ้อนคือสารที่สามารถแยกย่อยเป็นสารอื่นที่ง่ายกว่าผ่านปฏิกิริยาทางเคมี ไม่เหมือนซับซ้อน สารง่ายๆเรียกว่าสารที่ไม่สามารถย่อยสลายทางเคมีให้เป็นสารที่ง่ายกว่าได้

ตัวอย่างของสารเชิงซ้อนคือน้ำซึ่งโดย ปฏิกิริยาเคมีสามารถย่อยสลายได้เป็นสารอื่นที่ง่ายกว่าอีกสองชนิด ได้แก่ ไฮโดรเจนและออกซิเจน สำหรับสองอย่างสุดท้าย พวกมันไม่สามารถย่อยสลายทางเคมีให้เป็นสารที่ง่ายกว่าได้อีกต่อไป และดังนั้นจึงเป็นสารอย่างง่าย หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือองค์ประกอบทางเคมี

ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 19 ทางวิทยาศาสตร์มีการสันนิษฐานว่าองค์ประกอบทางเคมีเป็นสสารที่ไม่เปลี่ยนแปลงและไม่มีความสัมพันธ์ร่วมกัน อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย D.I. Mendeleev (พ.ศ. 2377 - 2450) ระบุความเชื่อมโยงครั้งแรกในปี พ.ศ. 2412 องค์ประกอบทางเคมีแสดงให้เห็นว่าลักษณะเชิงคุณภาพของแต่ละลักษณะนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะเชิงปริมาณ - น้ำหนักอะตอม

ในขณะที่ศึกษาคุณสมบัติขององค์ประกอบทางเคมี D.I. Mendeleev สังเกตว่าคุณสมบัติของพวกมันจะเกิดซ้ำเป็นระยะ ๆ ขึ้นอยู่กับน้ำหนักอะตอม เขาแสดงช่วงเวลานี้ในรูปแบบของตาราง ซึ่งรวมอยู่ในวิทยาศาสตร์ภายใต้ชื่อ "ตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ"

ด้านล่างนี้คือตารางธาตุเคมีสมัยใหม่ของ Mendeleev

อะตอม

ตามแนวคิดทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ องค์ประกอบทางเคมีแต่ละอย่างประกอบด้วยกลุ่มของอนุภาค (วัสดุ) ขนาดเล็กที่เรียกว่าอะตอม

อะตอมคือเศษส่วนที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีที่ไม่สามารถสลายตัวทางเคมีไปเป็นอนุภาควัสดุอื่นๆ ที่เล็กกว่าและเรียบง่ายกว่าได้อีกต่อไป

อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีที่มีลักษณะแตกต่างกันมีความแตกต่างกันในด้านคุณสมบัติทางกายภาพและเคมี โครงสร้าง ขนาด มวล น้ำหนักอะตอม พลังงานภายใน และคุณสมบัติอื่นๆ บางประการ ตัวอย่างเช่นอะตอมไฮโดรเจนมีความแตกต่างอย่างมากในด้านคุณสมบัติและโครงสร้างจากอะตอมออกซิเจนและอย่างหลังจากอะตอมยูเรเนียมเป็นต้น

เป็นที่ยอมรับกันว่าอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีมีขนาดเล็กมาก หากเราสันนิษฐานตามอัตภาพว่าอะตอมมีรูปร่างเป็นทรงกลม เส้นผ่านศูนย์กลางของพวกมันควรจะเท่ากับหนึ่งร้อยล้านของเซนติเมตร ตัวอย่างเช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมที่เล็กที่สุดในธรรมชาติ มีค่าเท่ากับหนึ่งร้อยล้านของเซนติเมตร (10 -8 ซม.) และเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมที่ใหญ่ที่สุด เช่น อะตอมยูเรเนียม จะต้องไม่เกิน สามร้อยล้านของเซนติเมตร (3 10 -8 ซม.) ด้วยเหตุนี้ อะตอมของไฮโดรเจนจึงมีขนาดเล็กกว่าลูกบอลที่มีรัศมี 1 เซนติเมตรหลายเท่า เนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนมีขนาดเล็กกว่าลูกโลก

ตามขนาดอะตอมที่เล็กมาก มวลของพวกมันก็เล็กมากเช่นกัน ตัวอย่างเช่น มวลของอะตอมไฮโดรเจนคือ m = 1.67 · 10 -24 กรัม ซึ่งหมายความว่าไฮโดรเจนหนึ่งกรัมประกอบด้วยอะตอมประมาณ 6 10 23 อะตอม

หน่วยวัดทั่วไปสำหรับน้ำหนักอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีจะเท่ากับ 1/16 ของน้ำหนักอะตอมออกซิเจน ตามน้ำหนักอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีนี้ จะมีการเรียกเลขนามธรรมเพื่อแสดงจำนวนครั้งของน้ำหนัก ขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนดมากกว่า 1/16 ของน้ำหนักอะตอมออกซิเจน

ใน ตารางธาตุองค์ประกอบของ D.I. Mendeleev ให้น้ำหนักอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีทั้งหมด (ดูตัวเลขที่อยู่ใต้ชื่อองค์ประกอบ) จากตารางนี้ เราจะเห็นว่าอะตอมที่เบาที่สุดคืออะตอมไฮโดรเจน ซึ่งมีน้ำหนักอะตอมเท่ากับ 1.008 น้ำหนักอะตอมของคาร์บอนคือ 12 ออกซิเจนคือ 16 เป็นต้น

สำหรับองค์ประกอบทางเคมีที่หนักกว่า น้ำหนักอะตอมของพวกมันจะเกินน้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจนมากกว่าสองร้อยเท่า ดังนั้นน้ำหนักอะตอมของปรอทคือ 200.6 เรเดียมคือ 226 เป็นต้น ยิ่งลำดับหมายเลขที่องค์ประกอบทางเคมีครอบครองในตารางธาตุสูงเท่าใด น้ำหนักอะตอมก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

น้ำหนักอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีส่วนใหญ่จะแสดงออกมา ตัวเลขเศษส่วน- นี่เป็นคำอธิบายในระดับหนึ่งจากข้อเท็จจริงที่ว่าองค์ประกอบทางเคมีดังกล่าวประกอบด้วยอะตอมหลายประเภทที่มีน้ำหนักอะตอมต่างกัน แต่มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน

องค์ประกอบทางเคมีที่มีจำนวนเท่ากันในตารางธาตุจึงมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่มีน้ำหนักอะตอมต่างกัน เรียกว่า ไอโซโทป

ไอโซโทปพบได้ในองค์ประกอบทางเคมีส่วนใหญ่ โดยมีสองไอโซโทป ได้แก่ แคลเซียม - สี่ สังกะสี - ห้า ดีบุก - สิบเอ็ด ฯลฯ ไอโซโทปจำนวนมากได้มาจากงานศิลปะ บางส่วนมีความสำคัญในทางปฏิบัติมาก

อนุภาคมูลฐานของสสาร

เชื่อกันมานานแล้วว่าอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเป็นขีดจำกัดของการแบ่งสสารของสสาร เช่น เช่นเดียวกับ "ส่วนประกอบ" เบื้องต้นของจักรวาล วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ปฏิเสธสมมติฐานนี้ โดยพิสูจน์ว่าอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีใดๆ เป็นกลุ่มของอนุภาควัสดุที่มีขนาดเล็กกว่าตัวอะตอมเองด้วยซ้ำ

ตามทฤษฎีอิเล็กทรอนิกส์ของโครงสร้างของสสารอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ คือระบบที่ประกอบด้วยนิวเคลียสส่วนกลางซึ่งอนุภาควัสดุ "พื้นฐาน" ที่เรียกว่าอิเล็กตรอนหมุนรอบ นิวเคลียสของอะตอมตามมุมมองที่ยอมรับกันโดยทั่วไปประกอบด้วยกลุ่มของอนุภาควัสดุ "พื้นฐาน" - โปรตอนและนิวตรอน

เพื่อทำความเข้าใจโครงสร้างของอะตอมและกระบวนการทางกายภาพและเคมีในอะตอมเหล่านั้น จำเป็นต้องทำความคุ้นเคยกับลักษณะพื้นฐานของอนุภาคมูลฐานที่ประกอบเป็นอะตอมเป็นอย่างน้อยโดยสังเขป

กำหนดไว้แล้วว่า อิเล็กตรอนเป็นอนุภาควัสดุที่มีประจุไฟฟ้าลบน้อยที่สุดที่สังเกตได้ในธรรมชาติ.

หากเราสันนิษฐานตามอัตภาพว่าอิเล็กตรอนในฐานะอนุภาคมีรูปร่างเป็นทรงกลม เส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กตรอนควรจะเท่ากับ 4 · 10 -13 ซม. เช่น มันเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมใด ๆ หลายหมื่นเท่า

อิเล็กตรอนก็มีมวลเช่นเดียวกับอนุภาควัสดุอื่นๆ “มวลนิ่ง” ของอิเล็กตรอน กล่าวคือ มวลที่มีในสถานะการนิ่งสัมพัทธ์ มีค่าเท่ากับ m o = 9.1 · 10 -28 กรัม

“มวลนิ่ง” ที่เล็กมากของอิเล็กตรอนบ่งชี้ว่าคุณสมบัติเฉื่อยของอิเล็กตรอนนั้นอ่อนแอมาก ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนภายใต้อิทธิพลของแรงไฟฟ้าที่แปรผัน สามารถแกว่งไปในอวกาศด้วยความถี่หลายพันล้านรอบต่อ ที่สอง.

มวลของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากจนต้องใช้ 1,027 หน่วยเพื่อให้ได้อิเล็กตรอน 1 กรัม หากต้องการมีแนวคิดทางกายภาพเกี่ยวกับจำนวนมหาศาลนี้ ให้เรายกตัวอย่างต่อไปนี้ หากวางอิเล็กตรอนหนึ่งกรัมเป็นเส้นตรงใกล้กัน พวกมันจะก่อตัวเป็นโซ่ยาวสี่พันล้านกิโลเมตร

มวลของอิเล็กตรอนก็เหมือนกับอนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ ของวัสดุ ขึ้นอยู่กับความเร็วของการเคลื่อนที่อิเล็กตรอนซึ่งอยู่ในสถานะพักสัมพัทธ์จะมี "มวลนิ่ง" ซึ่งมีลักษณะทางกลเหมือนกับมวลของมวลใดๆ ร่างกาย- สำหรับ “มวลของการเคลื่อนที่” ของอิเล็กตรอนซึ่งเพิ่มขึ้นตามความเร็วการเคลื่อนที่ที่เพิ่มขึ้น นั้นมาจากแหล่งกำเนิดแม่เหล็กไฟฟ้า เกิดจากการมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในอิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่เป็นสสารบางประเภทที่มีมวลและพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า

ยิ่งอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เร็วเท่าไร คุณสมบัติเฉื่อยของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะยิ่งแสดงออกมามากขึ้นเท่านั้น และด้วยเหตุนี้ มวลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย เนื่องจากอิเล็กตรอนที่มีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยระบบวัสดุที่เชื่อมต่อกันแบบอินทรีย์เพียงระบบเดียว จึงเป็นเรื่องธรรมดาที่มวลการเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของอิเล็กตรอนสามารถนำมาประกอบกับอิเล็กตรอนได้โดยตรง

นอกเหนือจากคุณสมบัติของอนุภาคแล้ว อิเล็กตรอนยังมีคุณสมบัติของคลื่นอีกด้วย ประสบการณ์ได้กำหนดไว้ว่าการไหลของอิเล็กตรอนเหมือนกับการไหลของแสง แพร่กระจายในรูปแบบของการเคลื่อนที่คล้ายคลื่น ธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของคลื่นของการไหลของอิเล็กตรอนในอวกาศได้รับการยืนยันจากปรากฏการณ์ของการรบกวนและการเลี้ยวเบนของคลื่นอิเล็กตรอน

การรบกวนของอิเล็กตรอน- นี่คือปรากฏการณ์ของการซ้อนทับเจตจำนงทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งกันและกันและ การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน- เป็นปรากฏการณ์คลื่นอิเล็กตรอนที่โค้งงอรอบขอบ ช่องว่างแคบซึ่งกระแสอิเล็กตรอนไหลผ่าน ด้วยเหตุนี้ อิเล็กตรอนจึงไม่ได้เป็นเพียงอนุภาค แต่เป็น "คลื่นอนุภาค" ซึ่งความยาวจะขึ้นอยู่กับมวลและความเร็วของอิเล็กตรอน

เป็นที่ยอมรับกันว่านอกเหนือจากการเคลื่อนที่แบบแปลนแล้ว อิเล็กตรอนยังทำการเคลื่อนที่แบบหมุนรอบแกนของมันด้วย การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนประเภทนี้เรียกว่า "สปิน" (จาก คำภาษาอังกฤษ"หมุน" - แกนหมุน) จากผลของการเคลื่อนไหวดังกล่าว นอกเหนือจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าเนื่องจากประจุไฟฟ้าแล้ว อิเล็กตรอนยังได้รับคุณสมบัติทางแม่เหล็กอีกด้วย ซึ่งชวนให้นึกถึงแม่เหล็กเบื้องต้นในส่วนนี้

โปรตอนเป็นอนุภาควัสดุที่มีประจุไฟฟ้าบวกเท่ากับค่าสัมบูรณ์กับประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน

มวลโปรตอนคือ 1.67 · 10-24 กรัม นั่นคือประมาณ 1,840 เท่าของ “มวลนิ่ง” ของอิเล็กตรอน

ต่างจากอิเล็กตรอนและโปรตอน นิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้า กล่าวคือ มันเป็นอนุภาคของสสาร "พื้นฐาน" ที่เป็นกลางทางไฟฟ้า มวลของนิวตรอนเกือบจะเท่ากับมวลของโปรตอน

อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของอะตอม มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อิเล็กตรอนและโปรตอนจะถูกดึงดูดซึ่งกันและกันในลักษณะอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าตรงกันข้าม ในเวลาเดียวกัน อิเล็กตรอนจากอิเล็กตรอนและโปรตอนจากโปรตอนถูกผลักกันเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเท่ากัน

อันตรกิริยาของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้เกิดขึ้นผ่านสนามไฟฟ้าของพวกมัน ช่องเหล่านี้แสดงถึงสสารประเภทพิเศษ ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มของอนุภาควัสดุพื้นฐานที่เรียกว่าโฟตอน โฟตอนแต่ละโฟตอนมีปริมาณพลังงานที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด (พลังงานควอนตัม)

ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาควัสดุที่มีประจุไฟฟ้าดำเนินการโดยการแลกเปลี่ยนโฟตอนระหว่างกัน พลังแห่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้ามักเรียกว่า กำลังไฟฟ้า.

นิวตรอนและโปรตอนที่พบในนิวเคลียสของอะตอมก็มีปฏิกิริยาระหว่างกันเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยานี้ไม่ได้ดำเนินการผ่านสนามไฟฟ้าอีกต่อไป เนื่องจากนิวตรอนเป็นอนุภาคของสสารที่เป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ผ่านสิ่งที่เรียกว่าสนามนิวเคลียร์

สนามนี้ก็เป็นสสารชนิดพิเศษเช่นกัน ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มของอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่ามีซอน ปฏิสัมพันธ์ของนิวตรอนและโปรตอนเกิดขึ้นจากการแลกเปลี่ยนมีซอนระหว่างกัน แรงระหว่างนิวตรอนและโปรตอนที่มีปฏิสัมพันธ์กันเรียกว่าแรงนิวเคลียร์

เป็นที่ยอมรับกันว่าแรงนิวเคลียร์กระทำต่อนิวเคลียสของอะตอมภายในระยะที่น้อยมาก - ประมาณ 10 - 13 ซม.

แรงนิวเคลียร์มีมากกว่าแรงไฟฟ้าของการผลักกันโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าพวกเขาไม่เพียงสามารถเอาชนะแรงผลักกันของโปรตอนภายในนิวเคลียสของอะตอมเท่านั้น แต่ยังสามารถสร้างระบบนิวเคลียสที่แข็งแกร่งมากจากการรวมกันของโปรตอนและนิวตรอน

ความเสถียรของนิวเคลียสของแต่ละอะตอมขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างแรงที่ขัดแย้งกันสองแรง - นิวเคลียร์ (การดึงดูดโปรตอนและนิวตรอนร่วมกัน) และไฟฟ้า (การผลักกันของโปรตอนร่วมกัน)

แรงนิวเคลียร์อันทรงพลังที่ทำหน้าที่ในนิวเคลียสของอะตอมมีส่วนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของนิวตรอนและโปรตอนให้เป็นกันและกัน การแปลงนิวตรอนและโปรตอนเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากการปลดปล่อยหรือการดูดซับของอนุภาคมูลฐานที่เบากว่า เช่น มีซอน

อนุภาคที่เราพิจารณาเรียกว่าระดับประถมศึกษาเนื่องจากไม่ได้ประกอบด้วยการรวมตัวกันของอนุภาคอื่นที่เรียบง่ายกว่าของสสาร แต่ในขณะเดียวกันเราก็ต้องไม่ลืมว่าสามารถแปลงร่างกันได้อย่างเกิดผลเสียหายต่อกัน ดังนั้นอนุภาคเหล่านี้จึงก่อตัวที่ซับซ้อน กล่าวคือ องค์ประกอบของพวกมันมีเงื่อนไข

โครงสร้างทางเคมีของอะตอม

อะตอมที่ง่ายที่สุดในโครงสร้างคืออะตอมไฮโดรเจน ประกอบด้วยอนุภาคมูลฐานเพียงสองอนุภาคเท่านั้น ได้แก่ โปรตอนและอิเล็กตรอน โปรตอนในระบบอะตอมไฮโดรเจนมีบทบาทเป็นนิวเคลียสกลางซึ่งอิเล็กตรอนหมุนรอบตัวเองในวงโคจรที่แน่นอน ในรูป รูปที่ 1 แสดงแบบจำลองอะตอมไฮโดรเจนตามแผนผัง

ข้าว. 1. โครงร่างโครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจน

โมเดลนี้เป็นเพียงการประมาณความเป็นจริงคร่าวๆ เท่านั้น ความจริงก็คืออิเล็กตรอนในฐานะ "คลื่นอนุภาค" ไม่มีปริมาตรที่แยกออกจากสภาพแวดล้อมภายนอกอย่างรวดเร็ว ซึ่งหมายความว่าเราไม่ควรพูดถึงวงโคจรเชิงเส้นที่แน่นอนของอิเล็กตรอน แต่เกี่ยวกับเมฆอิเล็กตรอนชนิดหนึ่ง ในกรณีนี้อิเล็กตรอนส่วนใหญ่มักจะครอบครองบางส่วน เส้นกึ่งกลางเมฆ ซึ่งเป็นหนึ่งในวงโคจรที่เป็นไปได้ในอะตอม

ต้องบอกว่าวงโคจรของอิเล็กตรอนนั้นไม่ได้เปลี่ยนแปลงอย่างเคร่งครัดและไม่มีการเคลื่อนที่ในอะตอม - เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของมวลของอิเล็กตรอนทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบหมุนเช่นกัน ดังนั้นการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอะตอมจึงค่อนข้างซับซ้อน เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน (โปรตอน) และอิเล็กตรอนที่หมุนรอบอะตอมมีประจุไฟฟ้าตรงกันข้าม พวกมันจึงถูกดึงดูดซึ่งกันและกัน

ในเวลาเดียวกัน อิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสของอะตอม จะพัฒนาแรงเหวี่ยงที่มีแนวโน้มที่จะดึงมันออกจากนิวเคลียส ดังนั้นแรงดึงดูดซึ่งกันและกันระหว่างนิวเคลียสของอะตอมกับอิเล็กตรอนและแรงเหวี่ยงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนจึงเป็นแรงที่ขัดแย้งกัน

ที่สภาวะสมดุล อิเล็กตรอนของพวกมันจะมีตำแหน่งที่ค่อนข้างเสถียรในวงโคจรที่แน่นอนของอะตอม เนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก เพื่อที่จะรักษาสมดุลของแรงดึงดูดกับนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนจึงต้องหมุนด้วยความเร็วมหาศาล ซึ่งเท่ากับประมาณ 6 10 15 รอบต่อวินาที ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนในระบบอะตอมไฮโดรเจนก็เหมือนกับอะตอมอื่น ๆ ที่เคลื่อนที่ไปตามวงโคจรของมันด้วยความเร็วเชิงเส้นเกินหนึ่งพันกิโลเมตรต่อวินาที

ภายใต้สภาวะปกติ อิเล็กตรอนจะหมุนในอะตอมประเภทเดียวกันในวงโคจรใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด ในขณะเดียวกันก็มีปริมาณพลังงานขั้นต่ำที่เป็นไปได้ ตัวอย่างเช่นหากด้วยเหตุผลใดเหตุผลหนึ่งภายใต้อิทธิพลของอนุภาควัสดุอื่น ๆ ที่บุกรุกระบบอะตอม อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังวงโคจรที่อยู่ห่างจากอะตอมมากขึ้น แสดงว่าอิเล็กตรอนจะมีพลังงานมากกว่าเล็กน้อยอยู่แล้ว

อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนจะยังคงอยู่ในวงโคจรใหม่นี้ในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่ไม่มีนัยสำคัญ หลังจากนั้นอิเล็กตรอนจะหมุนอีกครั้งไปยังวงโคจรที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมมากที่สุด ในระหว่างการเคลื่อนไหวนี้จะปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของควอนตัมของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า - พลังงานการแผ่รังสี (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรระยะไกลมาใกล้กับนิวเคลียสของอะตอม จะปล่อยพลังงานควอนตัมออกมา

ยิ่งอิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากภายนอกมากเท่าใด วงโคจรที่มันเคลื่อนที่จากนิวเคลียสของอะตอมก็จะยิ่งห่างไกลมากขึ้นเท่านั้น และปริมาณพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาก็จะมากขึ้นเมื่อหมุนเข้าสู่วงโคจรที่อยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากที่สุด

ด้วยการวัดปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนในระหว่างการเปลี่ยนจากวงโคจรต่างๆ ไปยังวงโคจรที่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมมากที่สุด ก็เป็นไปได้ที่จะพิสูจน์ได้ว่าอิเล็กตรอนในระบบของอะตอมไฮโดรเจน เช่นเดียวกับในระบบอื่นๆ อะตอมสามารถเคลื่อนที่ไม่ได้ไปยังวงโคจรใด ๆ โดยพลการ แต่ไปยังวงโคจรที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดตามพลังงานที่ได้รับภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก วงโคจรที่อิเล็กตรอนสามารถครอบครองในอะตอมได้เรียกว่าวงโคจรที่อนุญาต

เนื่องจากประจุบวกของนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน (ประจุโปรตอน) และประจุลบของอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากัน ประจุทั้งหมดจึงเป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าอะตอมของไฮโดรเจนซึ่งอยู่ในสถานะปกตินั้นเป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า

สิ่งนี้เป็นจริงสำหรับอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีทั้งหมด: อะตอมขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ ในสถานะปกตินั้นเป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเนื่องจากค่าประจุบวกและลบมีค่าเท่ากัน

เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนมีอนุภาค "พื้นฐาน" เพียงอนุภาคเดียว - โปรตอน จำนวนมวลที่เรียกว่านิวเคลียสจึงเท่ากับหนึ่ง จำนวนมวลของนิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ คือจำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดที่รวมอยู่ในองค์ประกอบของนิวเคลียสนี้

ไฮโดรเจนธรรมชาติส่วนใหญ่ประกอบด้วยกลุ่มของอะตอมที่มีเลขมวลเท่ากับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ยังมีอะตอมไฮโดรเจนอีกประเภทหนึ่งซึ่งมีเลขมวลเท่ากับ 2 นิวเคลียสของอะตอมของไฮโดรเจนหนักนี้เรียกว่าดิวเทอรอนประกอบด้วยอนุภาคสองตัวคือโปรตอนและนิวตรอน ไอโซโทปของไฮโดรเจนนี้เรียกว่าดิวเทอเรียม

ไฮโดรเจนธรรมชาติมีดิวเทอเรียมในปริมาณน้อยมาก สำหรับไฮโดรเจนเบาทุก ๆ หกพันอะตอม (เลขมวลเท่ากับหนึ่ง) จะมีดิวทีเรียมเพียงอะตอมเดียว (ไฮโดรเจนหนัก) มีอีกไอโซโทปของไฮโดรเจน - ไฮโดรเจนหนักยิ่งยวดเรียกว่าไอโซโทป ในนิวเคลียสของอะตอมของไอโซโทปไฮโดรเจนนี้มีอนุภาคสามอนุภาค: โปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนสองตัวซึ่งเกาะติดกันด้วยแรงนิวเคลียร์ จำนวนมวลของนิวเคลียสของอะตอมไอโซโทปคือสาม กล่าวคือ อะตอมไอโซโทปนั้นหนักกว่าอะตอมไฮโดรเจนเบาถึงสามเท่า

แม้ว่าอะตอมของไอโซโทปไฮโดรเจนจะมีมวลต่างกัน แต่ก็ยังมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนเบาซึ่งเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับออกซิเจนเกิดขึ้น สารประกอบ- น้ำ. ในทำนองเดียวกันไอโซโทปของไฮโดรเจน - ดิวทีเรียมเมื่อรวมกับออกซิเจนจะก่อตัวเป็นน้ำซึ่งไม่เหมือน น้ำธรรมดาเรียกว่าน้ำหนัก น้ำหนักถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในกระบวนการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ (นิวเคลียร์)

เพราะฉะนั้น, คุณสมบัติทางเคมีอะตอมไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลของนิวเคลียสของพวกมัน แต่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมเท่านั้น เนื่องจากอะตอมของไฮโดรเจนเบา ดิวเทอเรียม และทริเทียมมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน (หนึ่งตัวสำหรับแต่ละอะตอม) ไอโซโทปเหล่านี้จึงมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน

ไม่ใช่เรื่องบังเอิญที่องค์ประกอบทางเคมี ไฮโดรเจน ครองหมายเลขแรกในตารางธาตุ ความจริงก็คือมีความเชื่อมโยงระหว่างจำนวนองค์ประกอบใด ๆ ในตารางธาตุกับค่าประจุของนิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบนี้ สามารถกำหนดได้ดังนี้: หมายเลขซีเรียลขององค์ประกอบทางเคมีใด ๆ ในตารางธาตุจะมีค่าเป็นตัวเลขเท่ากับประจุบวกของนิวเคลียสขององค์ประกอบนี้และด้วยเหตุนี้จึงเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนรอบองค์ประกอบนั้น

เนื่องจากไฮโดรเจนครอบครองเลขตัวแรกในตารางธาตุ หมายความว่าประจุบวกของนิวเคลียสของอะตอมมีค่าเท่ากับ 1 และอิเล็กตรอนตัวหนึ่งหมุนรอบนิวเคลียส

ฮีเลียมองค์ประกอบทางเคมีตรงบริเวณหมายเลขสองในตารางธาตุ ซึ่งหมายความว่ามันมีประจุไฟฟ้าบวกของนิวเคลียสเท่ากับสองหน่วย กล่าวคือ นิวเคลียสของมันจะต้องมีโปรตอนสองตัว และเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมจะต้องมีอิเล็กโทรดสองอัน

ฮีเลียมธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปสองชนิด - ฮีเลียมหนักและฮีเลียมเบา เลขมวลของฮีเลียมหนักคือสี่ ซึ่งหมายความว่านิวเคลียสของอะตอมฮีเลียมหนัก นอกเหนือจากโปรตอนสองตัวที่กล่าวข้างต้นแล้ว จะต้องมีนิวตรอนอีกสองตัวด้วย สำหรับฮีเลียมเบานั้นมีเลขมวลเท่ากับ 3 กล่าวคือ นิวเคลียสของมันนอกเหนือจากโปรตอน 2 ตัวแล้ว จะต้องมีนิวตรอนเพิ่มอีก 1 ตัว

เป็นที่ยอมรับกันว่าในฮีเลียมธรรมชาติจำนวนอะตอมฮีเลียมเบามีประมาณหนึ่งในล้านของอะตอมฮีเลียมหนัก ในรูป รูปที่ 3 แสดงแบบจำลองแผนผังของอะตอมฮีเลียม

ข้าว. 3. โครงร่างโครงสร้างของอะตอมฮีเลียม

ความซับซ้อนเพิ่มเติมของโครงสร้างของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเกิดขึ้นเนื่องจากการเพิ่มจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอมเหล่านี้และในเวลาเดียวกันเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของจำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียส (รูปที่ 4 ). การเอาเปรียบ ระบบเป็นระยะธาตุต่างๆ จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะระบุจำนวนอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอนที่ประกอบเป็นอะตอมต่างๆ

ข้าว. 4. แบบแผนโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม: 1 - ฮีเลียม, 2 - คาร์บอน, 3 - ออกซิเจน

หมายเลขลำดับขององค์ประกอบทางเคมี เท่ากับจำนวนโปรตอนที่อยู่ในนิวเคลียสของอะตอม และในขณะเดียวกันก็มีจำนวนอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสด้วย สำหรับน้ำหนักอะตอมนั้นจะมีค่าประมาณเท่ากับจำนวนมวลของอะตอม กล่าวคือ จำนวนโปรตอนและนิวตรอนรวมกันในนิวเคลียส ดังนั้น โดยการลบตัวเลขที่เท่ากับเลขอะตอมขององค์ประกอบออกจากน้ำหนักอะตอมขององค์ประกอบ เราสามารถระบุจำนวนนิวตรอนที่มีอยู่ในนิวเคลียสที่กำหนดได้

เป็นที่ยอมรับกันว่านิวเคลียสขององค์ประกอบเคมีเบาซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเท่ากันนั้นมีความโดดเด่นด้วยความแข็งแรงสูงมากเนื่องจากแรงนิวเคลียร์ในพวกมันมีขนาดค่อนข้างใหญ่ ตัวอย่างเช่น นิวเคลียสของอะตอมฮีเลียมหนักมีความแข็งแรงอย่างมาก เนื่องจากประกอบด้วยโปรตอน 2 ตัวและนิวตรอน 2 ตัวที่เกาะติดกันด้วยพลังนิวเคลียร์อันทรงพลัง

นิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีที่หนักกว่ามีจำนวนโปรตอนและนิวตรอนไม่เท่ากัน ดังนั้นพันธะของพวกมันในนิวเคลียสจึงอ่อนกว่าในนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีเบา นิวเคลียสของธาตุเหล่านี้สามารถแบ่งออกได้ค่อนข้างง่ายเมื่อถูกโจมตีด้วย "โพรเจกไทล์" ของอะตอม (นิวตรอน นิวเคลียสฮีเลียม ฯลฯ)

สำหรับองค์ประกอบทางเคมีที่หนักที่สุด โดยเฉพาะกัมมันตภาพรังสี นิวเคลียสของพวกมันอ่อนแอมากจนสลายตัวเป็นส่วนประกอบตามธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น อะตอมของธาตุกัมมันตภาพรังสี เรเดียม ซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 88 ตัวและนิวตรอน 138 ตัวรวมกัน สลายตัวไปเองตามธรรมชาติ และกลายเป็นอะตอมของธาตุกัมมันตรังสีเรดอน อะตอมของธาตุหลังจะสลายตัวไปเป็นส่วนประกอบและกลายเป็นอะตอมของธาตุอื่น

ทบทวนกันซักพักแล้ว ส่วนประกอบนิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมี พิจารณาโครงสร้างของเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม ดังที่ทราบกันดีว่าอิเล็กตรอนสามารถหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมได้เฉพาะในวงโคจรที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้นพวกมันยังถูกจัดกลุ่มไว้ในเปลือกอิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมเพื่อให้สามารถแยกแยะอิเล็กตรอนแต่ละชั้นได้

แต่ละชั้นสามารถมีจำนวนอิเล็กตรอนได้ไม่เกินจำนวนที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด ตัวอย่างเช่นในชั้นอิเล็กตรอนแรกที่ใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมมากที่สุดสามารถมีอิเล็กตรอนได้สูงสุดสองตัวในชั้นที่สอง - ไม่เกินแปดอิเล็กตรอนเป็นต้น

อะตอมเหล่านั้นที่มีชั้นอิเล็กตรอนชั้นนอกเต็มอยู่นั้นจะมีเปลือกอิเล็กตรอนที่เสถียรที่สุด มันหมายความว่าอย่างนั้น ให้อะตอมจับอิเล็กตรอนทั้งหมดไว้อย่างมั่นคงและไม่ต้องรับปริมาณเพิ่มเติมจากภายนอก ตัวอย่างเช่นอะตอมฮีเลียมมีอิเล็กตรอนสองตัวที่เติมชั้นอิเล็กตรอนแรกจนเต็มและอะตอมนีออนมีอิเล็กตรอนสิบตัวซึ่งสองตัวแรกเติมอิเล็กตรอนชั้นแรกจนเต็มและส่วนที่เหลือ - ที่สอง (รูปที่ 5)

ข้าว. 5. โครงร่างโครงสร้างของอะตอมนีออน

ด้วยเหตุนี้ อะตอมของฮีเลียมและนีออนจึงมีเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ที่เสถียรอย่างสมบูรณ์ และไม่พยายามที่จะดัดแปลงพวกมันในเชิงปริมาณ องค์ประกอบดังกล่าวมีความเฉื่อยทางเคมี กล่าวคือ ไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีกับองค์ประกอบอื่น

อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบทางเคมีส่วนใหญ่มีอะตอมซึ่งชั้นอิเล็กตรอนด้านนอกไม่ได้เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนทั้งหมด ตัวอย่างเช่น อะตอมโพแทสเซียมมีอิเล็กตรอน 19 ตัว โดย 18 ตัวในสามชั้นแรกเต็มไปหมด และอิเล็กตรอนตัวที่ 19 อยู่ตัวเดียวในชั้นอิเล็กตรอนถัดไปที่ยังไม่มีการเติม การเติมอิเล็กตรอนชั้นที่สี่อย่างอ่อนแอด้วยอิเล็กตรอนนำไปสู่ความจริงที่ว่านิวเคลียสของอะตอมจับอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดอย่างอ่อนมากซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่สิบเก้าดังนั้นจึงสามารถฉีกส่วนหลังออกจากอะตอมได้ง่าย -

หรือตัวอย่างเช่น อะตอมของออกซิเจนมีอิเล็กตรอน 8 ตัว ซึ่ง 2 ตัวในชั้นแรกเต็มไปหมด และอีก 6 ตัวที่เหลือจะอยู่ในชั้นที่สอง ดังนั้นเพื่อให้การสร้างชั้นอิเล็กตรอนที่สองในอะตอมออกซิเจนเสร็จสมบูรณ์จึงต้องการอิเล็กตรอนเพียงสองตัวเท่านั้น ดังนั้นอะตอมออกซิเจนไม่เพียงแต่ยึดอิเล็กตรอน 6 ตัวไว้ในชั้นที่สองอย่างแน่นหนาเท่านั้น แต่ยังมีความสามารถในการดึงดูดอิเล็กตรอน 2 ตัวที่ขาดไปเติมเต็มชั้นอิเล็กตรอนที่สองด้วย เขาบรรลุเป้าหมายนี้ด้วยการรวมทางเคมีกับอะตอมของธาตุซึ่งอิเล็กตรอนชั้นนอกจับกับนิวเคลียสอย่างอ่อน

ตามกฎแล้วองค์ประกอบทางเคมีที่อะตอมไม่มีชั้นอิเล็กตรอนด้านนอกที่เต็มไปด้วยอิเล็กตรอนอย่างสมบูรณ์นั้นจะมีปฏิกิริยาทางเคมีนั่นคือพวกมันจะเข้าสู่ปฏิกิริยาทางเคมีได้อย่างง่ายดาย

ดังนั้นอิเล็กตรอนในอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีจึงถูกจัดเรียงตามลำดับที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัด และการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในการจัดเรียงเชิงพื้นที่หรือปริมาณในเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอมจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลง คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีสุดท้าย.

ความเท่าเทียมกันของจำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนในระบบอะตอมเป็นสาเหตุที่ทำให้ประจุไฟฟ้าทั้งหมดเป็นศูนย์ หากความเท่าเทียมกันของจำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนในระบบอะตอมถูกละเมิด อะตอมก็จะกลายเป็นระบบที่มีประจุไฟฟ้า

อะตอมในระบบที่สมดุลของประจุไฟฟ้าตรงข้ามถูกรบกวนเนื่องจากสูญเสียอิเล็กตรอนบางส่วนหรือในทางกลับกันได้รับจำนวนที่มากเกินไปเรียกว่าไอออน

ในทางตรงกันข้าม หากอะตอมได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น อะตอมก็จะกลายเป็นไอออนลบ ตัวอย่างเช่น อะตอมของคลอรีนที่ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นหนึ่งตัวจะกลายเป็นคลอรีนไอออนลบที่มีประจุเพียงตัวเดียว Cl - อะตอมออกซิเจนที่ได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มอีก 2 ตัวจะเปลี่ยนเป็นไอออนออกซิเจนลบที่มีประจุสองเท่า O เป็นต้น

อะตอมที่กลายเป็นไอออนจะกลายเป็นระบบที่มีประจุไฟฟ้าโดยสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมภายนอก ซึ่งหมายความว่าอะตอมเริ่มที่จะครอบครอง สนามไฟฟ้าร่วมกับระบบวัสดุเดี่ยวและผ่านสนามนี้จะทำปฏิกิริยาทางไฟฟ้ากับอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าอื่น ๆ ของสสาร - ไอออน, อิเล็กตรอน, นิวเคลียสของอะตอมที่มีประจุบวก ฯลฯ

ความสามารถของไอออนที่ไม่เหมือนที่จะดึงดูดซึ่งกันและกันคือเหตุผลที่พวกมันรวมตัวกันทางเคมีทำให้เกิดอนุภาคที่ซับซ้อนมากขึ้นของสสาร - โมเลกุล

โดยสรุปควรสังเกตว่าขนาดของอะตอมนั้นใหญ่มากเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดของอนุภาควัสดุที่พวกมันประกอบขึ้น นิวเคลียสของอะตอมที่ซับซ้อนที่สุดพร้อมกับอิเล็กตรอนทั้งหมด ครอบครองปริมาตรหนึ่งในพันล้านของอะตอม การคำนวณอย่างง่ายแสดงให้เห็นว่าหากแพลตตินัมหนึ่งลูกบาศก์เมตรสามารถบีบอัดได้แน่นจนช่องว่างภายในอะตอมและระหว่างอะตอมหายไป ปริมาตรก็จะเท่ากับประมาณหนึ่งลูกบาศก์มิลลิเมตร

จากการศึกษาโครงสร้างของสสาร นักฟิสิกส์ได้ค้นพบว่าอะตอมประกอบด้วยอะไรบ้าง มาถึงนิวเคลียสของอะตอมและแยกออกเป็นโปรตอนและนิวตรอน ขั้นตอนทั้งหมดนี้ทำได้ค่อนข้างง่าย - คุณเพียงแค่ต้องเร่งอนุภาคให้เป็นพลังงานที่ต้องการ ผลักพวกมันเข้าหากัน จากนั้นพวกมันก็จะแตกออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ

แต่ด้วยโปรตอนและนิวตรอน เคล็ดลับนี้ใช้ไม่ได้อีกต่อไป แม้ว่าพวกมันจะเป็นอนุภาคประกอบ แต่ก็ไม่สามารถ "แตกเป็นชิ้น ๆ" ได้แม้จะเกิดการชนกันอย่างรุนแรงที่สุดก็ตาม ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงต้องใช้เวลาหลายทศวรรษกว่าจะคิดวิธีต่างๆ ในการดูภายในโปรตอน ดูโครงสร้างและรูปร่างของมัน ปัจจุบัน การศึกษาโครงสร้างของโปรตอนเป็นหนึ่งในสาขาวิชาฟิสิกส์อนุภาคที่มีการเคลื่อนไหวมากที่สุด

ธรรมชาติให้คำแนะนำ

ประวัติความเป็นมาของการศึกษาโครงสร้างของโปรตอนและนิวตรอนย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษที่ 1930 เมื่อมีการค้นพบนิวตรอนนอกเหนือจากโปรตอน (พ.ศ. 2475) หลังจากวัดมวลของพวกมันแล้ว นักฟิสิกส์ต้องประหลาดใจที่พบว่ามันอยู่ใกล้กับมวลของโปรตอนมาก ยิ่งไปกว่านั้น ปรากฎว่าโปรตอนและนิวตรอน "รู้สึก" ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในลักษณะเดียวกันทุกประการ เช่นเดียวกับที่จากมุมมองของแรงนิวเคลียร์โปรตอนและนิวตรอนถือได้ว่าเป็นสองการปรากฏตัวของอนุภาคเดียวกัน - นิวคลีออน: โปรตอนเป็นนิวคลีออนที่มีประจุไฟฟ้าและนิวตรอนเป็นนิวคลีออนที่เป็นกลาง การสลับโปรตอนเป็นนิวตรอนและแรงนิวเคลียร์ (เกือบ) จะสังเกตเห็นอะไรเลย

นักฟิสิกส์แสดงคุณสมบัติของธรรมชาติในลักษณะสมมาตร - ปฏิกิริยานิวเคลียร์มีความสมมาตรเมื่อพิจารณาการแทนที่โปรตอนด้วยนิวตรอน เช่นเดียวกับที่ผีเสื้อมีความสมมาตรเมื่อพิจารณาจากการแทนที่ซ้ายเป็นขวา ความสมมาตรนี้ นอกเหนือจากมีบทบาทสำคัญในฟิสิกส์นิวเคลียร์แล้ว จริงๆ แล้วยังเป็นสัญญาณแรกที่บ่งบอกว่านิวคลีออนมีโครงสร้างภายในที่น่าสนใจ จริงอยู่ในยุค 30 นักฟิสิกส์ไม่ได้ตระหนักถึงคำใบ้นี้

ความเข้าใจมาทีหลัง เริ่มต้นด้วยความจริงที่ว่าในช่วงทศวรรษที่ 1940-50 ในปฏิกิริยาของการชนกันของโปรตอนกับนิวเคลียสขององค์ประกอบต่างๆ นักวิทยาศาสตร์รู้สึกประหลาดใจที่ค้นพบอนุภาคใหม่มากขึ้นเรื่อยๆ ไม่ใช่โปรตอน ไม่ใช่นิวตรอน ไม่ใช่ไพ-มีซอนที่ค้นพบในเวลานั้น ซึ่งเก็บนิวคลีออนไว้ในนิวเคลียส แต่เป็นอนุภาคใหม่ทั้งหมด สำหรับความหลากหลาย อนุภาคใหม่เหล่านี้มีสองอนุภาค คุณสมบัติทั่วไป- ประการแรก พวกมันก็เหมือนกับนิวคลีออนที่เต็มใจเข้าร่วมในปฏิกิริยานิวเคลียร์ - ตอนนี้อนุภาคดังกล่าวเรียกว่าฮาดรอน และประการที่สอง พวกมันไม่เสถียรอย่างยิ่ง อนุภาคที่ไม่เสถียรที่สุดจะสลายตัวเป็นอนุภาคอื่นๆ ในเวลาเพียงหนึ่งล้านล้านนาโนวินาที ไม่มีเวลาแม้แต่จะบินขนาดเท่านิวเคลียสของอะตอมได้!

เป็นเวลานานมาแล้วที่ "สวนสัตว์" ฮาดรอนเป็นระเบียบเรียบร้อย ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 นักฟิสิกส์ได้เรียนรู้แฮดรอนประเภทต่างๆ มากมายแล้ว เริ่มเปรียบเทียบกัน และทันใดนั้นก็เห็นความสมมาตรทั่วไปบางอย่าง แม้กระทั่งความเป็นระยะ ในคุณสมบัติของพวกมัน มีการเสนอว่าภายในแฮดรอนทั้งหมด (รวมถึงนิวคลีออนด้วย) มีวัตถุง่ายๆ บางชนิดที่เรียกว่า "ควาร์ก" การรวมควาร์ก วิธีทางที่แตกต่างเป็นไปได้ที่จะได้รับฮาดรอนที่แตกต่างกันและเป็นประเภทเดียวกันและมีคุณสมบัติเดียวกันกับที่ค้นพบในการทดลอง

อะไรทำให้โปรตอนเป็นโปรตอน?

หลังจากที่นักฟิสิกส์ค้นพบโครงสร้างควาร์กของฮาดรอนและเรียนรู้ว่าควาร์กมีหลายสายพันธุ์ ก็เห็นได้ชัดว่าอนุภาคต่างๆ มากมายสามารถสร้างขึ้นจากควาร์กได้ ดังนั้นจึงไม่มีใครแปลกใจเมื่อการทดลองครั้งต่อๆ ไปยังคงพบแฮดรอนใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง แต่ในบรรดาฮาดรอนทั้งหมดนั้น มีการค้นพบอนุภาคทั้งตระกูลซึ่งประกอบด้วยโปรตอนเพียงสองตัวเท่านั้น ยู-ควาร์กและหนึ่ง ง-ควาร์ก ประเภท "พี่ชาย" ของโปรตอน และที่นี่ นักฟิสิกส์ก็ต้องพบกับเรื่องประหลาดใจ

ก่อนอื่นเรามาสังเกตง่ายๆ กันก่อน หากเรามีวัตถุหลายชิ้นที่ประกอบด้วย "อิฐ" อันเดียวกัน วัตถุที่หนักกว่าก็จะมี "อิฐ" มากกว่า และวัตถุที่เบากว่าจะมีน้อยกว่า นี่เป็นหลักการที่เป็นธรรมชาติมากซึ่งอาจเรียกได้ว่าเป็นหลักการรวมกันหรือหลักการของโครงสร้างส่วนบนก็ได้และทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบทั้งใน ชีวิตประจำวันและในวิชาฟิสิกส์ มันปรากฏตัวแม้ในโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม - หลังจากนั้นนิวเคลียสที่หนักกว่าก็ประกอบด้วย มากกว่าโปรตอนและนิวตรอน

อย่างไรก็ตาม ในระดับควาร์ก หลักการนี้ใช้ไม่ได้ผลเลย และเป็นที่ยอมรับว่านักฟิสิกส์ยังไม่เข้าใจว่าทำไม ปรากฎว่าพี่น้องหนักของโปรตอนก็ประกอบด้วยควาร์กเช่นเดียวกับโปรตอน แม้ว่าพวกมันจะหนักกว่าโปรตอนหนึ่งถึงครึ่งหรือสองเท่าก็ตาม พวกมันแตกต่างจากโปรตอน (และแตกต่างกัน) ไม่ใช่ องค์ประกอบ,และร่วมกัน ที่ตั้งควาร์ก โดยสถานะที่ควาร์กเหล่านี้สัมพันธ์กัน ก็เพียงพอที่จะเปลี่ยนตำแหน่งสัมพัทธ์ของควาร์ก - และจากโปรตอนเราจะได้อนุภาคอีกอันที่หนักกว่าอย่างเห็นได้ชัด

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณยังคงรวบรวมควาร์กมากกว่าสามตัวด้วยกัน? จะมีอนุภาคหนักเกิดขึ้นใหม่หรือไม่? น่าแปลกที่มันใช้งานไม่ได้ ควาร์กจะแตกออกเป็นสามส่วนและกลายเป็นอนุภาคกระจัดกระจายหลายอนุภาค ด้วยเหตุผลบางประการ ธรรมชาติ "ไม่ชอบ" การรวมควาร์กหลายตัวเข้าด้วยกันเป็นอันเดียว! เพิ่งเข้ามาไม่นานนี้เอง ปีที่ผ่านมาเริ่มปรากฏว่าอนุภาคมัลติควาร์กบางชนิดมีอยู่จริง แต่นี่เป็นเพียงการเน้นย้ำว่าธรรมชาติไม่ชอบอนุภาคเหล่านั้นมากเพียงใด

ข้อสรุปที่สำคัญและลึกซึ้งมากตามมาจากหลักการเชิงผสมนี้ - มวลของฮาดรอนไม่ได้ประกอบด้วยมวลของควาร์กเลย แต่ถ้ามวลของฮาดรอนสามารถเพิ่มขึ้นหรือลดลงได้โดยเพียงแค่การรวมตัวต่อที่เป็นส่วนประกอบของอิฐอีกครั้ง ควาร์กเองก็ไม่ใช่ผู้รับผิดชอบมวลของฮาดรอน และแน่นอนในการทดลองครั้งต่อ ๆ ไปพบว่ามวลของควาร์กนั้นมีเพียงประมาณสองเปอร์เซ็นต์ของมวลโปรตอนเท่านั้น และแรงโน้มถ่วงที่เหลือนั้นเกิดขึ้นเนื่องจากสนามแรง (อนุภาคพิเศษ - กลูออน) ที่ ผูกควาร์กไว้ด้วยกัน ด้วยการเปลี่ยนตำแหน่งสัมพัทธ์ของควาร์ก เช่น เคลื่อนพวกมันออกห่างจากกัน ดังนั้นเราจึงเปลี่ยนเมฆกลูออน ทำให้มีมวลมากขึ้น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมมวลฮาดรอนจึงเพิ่มขึ้น (รูปที่ 1)

เกิดอะไรขึ้นภายในโปรตอนที่เคลื่อนที่เร็ว?

ทุกสิ่งที่อธิบายไว้ข้างต้นเกี่ยวข้องกับโปรตอนที่อยู่นิ่ง ในภาษาของนักฟิสิกส์ นี่คือโครงสร้างของโปรตอนในกรอบที่เหลือ อย่างไรก็ตาม ในการทดลอง โครงสร้างของโปรตอนถูกค้นพบครั้งแรกภายใต้เงื่อนไขอื่น - ภายใน บินเร็วโปรตอน.

ในช่วงปลายคริสต์ทศวรรษ 1960 ในการทดลองเกี่ยวกับการชนกันของอนุภาคที่เครื่องเร่ง พบว่าโปรตอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสงมีพฤติกรรมราวกับว่าพลังงานภายในพวกมันไม่กระจายเท่าๆ กัน แต่กระจุกตัวอยู่ในวัตถุที่มีขนาดกะทัดรัดแต่ละอัน นักฟิสิกส์ชื่อดัง Richard Feynman เสนอให้เรียกกลุ่มของสสารเหล่านี้ภายในโปรตอน พาร์ตันส์(จากอังกฤษ ส่วนหนึ่ง -ส่วนหนึ่ง).

การทดลองต่อมาได้ตรวจสอบคุณสมบัติหลายประการของพาร์ตอน เช่น ประจุไฟฟ้า จำนวน และเศษส่วนของพลังงานโปรตอนที่แต่ละส่วนมีอยู่ ปรากฎว่าพาร์ตอนที่มีประจุคือควาร์ก และส่วนที่เป็นกลางคือกลูออน ใช่ กลูออนเดียวกันเหล่านั้น ซึ่งอยู่ในกรอบส่วนที่เหลือของโปรตอนเพียงแค่ "เสิร์ฟ" ควาร์กและดึงดูดพวกมันเข้าหากัน ตอนนี้กลายเป็นพาร์ตอนอิสระ และพร้อมกับควาร์กที่นำ "สสาร" และพลังงานของโปรตอนที่เคลื่อนที่เร็วไปด้วย การทดลองแสดงให้เห็นว่าพลังงานประมาณครึ่งหนึ่งถูกเก็บไว้ในควาร์ก และครึ่งหนึ่งอยู่ในกลูออน

การศึกษาพาร์ตอนสะดวกที่สุดในการชนกันของโปรตอนกับอิเล็กตรอน ความจริงก็คืออิเล็กตรอนไม่เหมือนกับโปรตอนตรงที่อิเล็กตรอนไม่ได้มีส่วนร่วมในปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รุนแรงและการชนกับโปรตอนดูง่ายมาก: อิเล็กตรอนปล่อยโฟตอนเสมือนออกมาในช่วงเวลาสั้น ๆ ซึ่งชนกับพาร์ตอนที่มีประจุและในที่สุดก็สร้าง จำนวนมากอนุภาค (รูปที่ 2) เราสามารถพูดได้ว่าอิเล็กตรอนเป็นมีดผ่าตัดที่ดีเยี่ยมในการ "เปิด" โปรตอนและแบ่งออกเป็นส่วนๆ ที่แยกจากกัน อย่างไรก็ตาม เป็นเพียงช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น เมื่อรู้ว่ากระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้นที่เครื่องเร่งความเร็วบ่อยเพียงใด เราสามารถวัดจำนวนพาร์ตอนภายในโปรตอนและประจุของพวกมันได้

ใครคือ Partons จริงๆ?

และที่นี่เรามาถึงการค้นพบที่น่าทึ่งอีกอย่างหนึ่งที่นักฟิสิกส์สร้างขึ้นขณะศึกษาการชนกันของอนุภาคมูลฐานที่มีพลังงานสูง

ภายใต้สภาวะปกติ คำถามที่ว่าสิ่งนี้หรือวัตถุนั้นประกอบด้วยอะไร จึงมีคำตอบที่เป็นสากลสำหรับระบบอ้างอิงทั้งหมด ตัวอย่างเช่น โมเลกุลของน้ำประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 อะตอมและออกซิเจน 1 อะตอม และไม่สำคัญว่าเราจะมองโมเลกุลที่นิ่งหรือเคลื่อนที่อยู่ก็ตาม อย่างไรก็ตาม กฎนี้ดูเป็นธรรมชาติมาก! - ถูกละเมิดหาก เรากำลังพูดถึงเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง ในกรอบอ้างอิงหนึ่ง อนุภาคเชิงซ้อนอาจประกอบด้วยอนุภาคย่อยชุดหนึ่ง และในกรอบอ้างอิงอีกกรอบหนึ่งของอีกชุดหนึ่ง ปรากฎว่า องค์ประกอบเป็นแนวคิดที่สัมพันธ์กัน!

เป็นไปได้ยังไง? สิ่งสำคัญในที่นี้คือคุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่ง: จำนวนอนุภาคในโลกของเราไม่คงที่ - อนุภาคสามารถเกิดและหายไปได้ ตัวอย่างเช่น หากคุณผลักอิเล็กตรอนสองตัวเข้าด้วยกันด้วยพลังงานสูงเพียงพอ นอกจากอิเล็กตรอนสองตัวนี้แล้ว อาจเป็นโฟตอนหรือคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน หรืออนุภาคอื่น ๆ ก็ได้ ทั้งหมดนี้ได้รับอนุญาตจากกฎควอนตัม และนี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นในการทดลองจริง

แต่ "กฎแห่งการไม่อนุรักษ์" ของอนุภาคนี้ได้ผล ในกรณีที่เกิดการชนกันอนุภาค เป็นไปได้อย่างไรที่โปรตอนเดียวกันจากมุมมองที่ต่างกันดูเหมือนว่าประกอบด้วยอนุภาคคนละชุดกัน ประเด็นก็คือโปรตอนไม่ใช่แค่ควาร์กสามตัวรวมกันเท่านั้น มีสนามแรงกลูออนระหว่างควาร์ก โดยทั่วไป สนามแรง (เช่น สนามความโน้มถ่วงหรือสนามไฟฟ้า) เป็น "เอนทิตี" ของวัสดุชนิดหนึ่งที่แทรกซึมเข้าไปในอวกาศและยอมให้อนุภาคส่งอิทธิพลอย่างรุนแรงต่อกันและกัน ในทฤษฎีควอนตัม สนามยังประกอบด้วยอนุภาค แม้ว่าอนุภาคพิเศษจะเป็นอนุภาคเสมือนก็ตาม จำนวนอนุภาคเหล่านี้ไม่คงที่ แต่จะ "แตกหน่อ" จากควาร์กอยู่ตลอดเวลาและถูกควาร์กอื่นดูดซับไว้

พักผ่อนโปรตอนสามารถมองได้ว่าเป็นควาร์กสามตัวที่มีกลูออนกระโดดไปมาระหว่างพวกมัน แต่ถ้าเราดูโปรตอนตัวเดียวกันจากกรอบอ้างอิงที่ต่างกัน ราวกับว่าจากหน้าต่างของ "รถไฟสัมพัทธภาพ" ที่ผ่านไป เราจะเห็นภาพที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง กลูออนเสมือนที่เกาะควาร์กเข้าด้วยกันจะดูเหมือนอนุภาคที่ "สมจริงกว่า" เสมือนจริงน้อยลง แน่นอนว่าพวกมันยังคงเกิดและดูดซับโดยควาร์ก แต่ในขณะเดียวกันพวกมันก็อาศัยอยู่ด้วยตัวเองระยะหนึ่ง โดยบินอยู่ข้างๆ ควาร์กเหมือนอนุภาคจริง สิ่งที่ดูเหมือนสนามแรงธรรมดาในกรอบอ้างอิงหนึ่งจะกลายเป็นกระแสอนุภาคในอีกเฟรมหนึ่ง! โปรดทราบว่าเราไม่ได้สัมผัสตัวโปรตอน แต่จะมองจากกรอบอ้างอิงอื่นเท่านั้น

นอกจากนี้. ยิ่งความเร็วของ "รถไฟเชิงสัมพัทธภาพ" ของเราเข้าใกล้ความเร็วแสงมากเท่าใด เราก็จะเห็นภาพที่น่าตื่นตาตื่นใจภายในโปรตอนมากขึ้นเท่านั้น เมื่อเราเข้าใกล้ความเร็วแสง เราจะสังเกตเห็นว่ามีกลูออนอยู่ภายในโปรตอนมากขึ้นเรื่อยๆ ยิ่งไปกว่านั้น บางครั้งพวกมันก็แยกออกเป็นคู่ควาร์ก-แอนติควาร์ก ซึ่งบินอยู่ใกล้ๆ และถือเป็นพาร์ตอนด้วย เป็นผลให้โปรตอนที่มีสัมพัทธภาพสูง กล่าวคือ โปรตอนเคลื่อนที่สัมพันธ์กับเราด้วยความเร็วที่ใกล้กับความเร็วแสงมาก ปรากฏในรูปแบบของเมฆควาร์ก แอนติควาร์ก และกลูออนที่แทรกซึมเข้ามาซึ่งบินเข้าหากันและดูเหมือนจะสนับสนุนซึ่งกันและกัน (รูปที่ .3).

ผู้อ่านที่คุ้นเคยกับทฤษฎีสัมพัทธภาพอาจกังวล ฟิสิกส์ทั้งหมดตั้งอยู่บนหลักการที่ว่ากระบวนการใดๆ ดำเนินไปในทิศทางเดียวกัน ระบบเฉื่อยนับถอยหลัง แต่ปรากฎว่าองค์ประกอบของโปรตอนขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิงที่เราสังเกต?!

ใช่แล้ว แต่สิ่งนี้ไม่ได้ละเมิดหลักการสัมพัทธภาพแต่อย่างใด ผลลัพธ์ของกระบวนการทางกายภาพ เช่น อนุภาคใดและจำนวนเท่าใดที่เกิดจากการชน ปรากฏว่าไม่แปรเปลี่ยน แม้ว่าองค์ประกอบของโปรตอนจะขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิงก็ตาม

สถานการณ์นี้ แม้จะดูไม่ปกติเมื่อมองแวบแรก แต่เป็นไปตามกฎฟิสิกส์ทั้งหมด ดังแสดงไว้ในรูปที่ 4 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการชนกันของโปรตอนสองตัวที่มีพลังงานสูงมีลักษณะอย่างไรในกรอบอ้างอิงที่ต่างกัน: ในกรอบที่เหลือของโปรตอนหนึ่งตัว ศูนย์กลางของกรอบมวล ในกรอบส่วนที่เหลือของโปรตอนอีกตัวหนึ่ง ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตอนนั้นดำเนินการผ่านน้ำตกของกลูออนที่แยกออก แต่ในกรณีเดียวเท่านั้นที่น้ำตกนี้ถือว่าเป็น "ภายใน" ของโปรตอนหนึ่งตัวในอีกกรณีหนึ่งถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของโปรตอนอีกตัวหนึ่งและในกรณีที่สามเป็นเพียงบางส่วน วัตถุที่มีการแลกเปลี่ยนกันระหว่างโปรตอนสองตัว น้ำตกนี้มีอยู่จริง แต่ส่วนใดของกระบวนการที่ควรนำมาประกอบนั้นขึ้นอยู่กับกรอบอ้างอิง

ภาพสามมิติของโปรตอน

ผลลัพธ์ทั้งหมดที่เราเพิ่งพูดถึงนั้นมาจากการทดลองที่ดำเนินการเมื่อนานมาแล้ว - ในช่วงทศวรรษที่ 60–70 ของศตวรรษที่ผ่านมา ดูเหมือนว่าตั้งแต่นั้นมาทุกอย่างควรได้รับการศึกษาและคำถามทั้งหมดควรจะพบคำตอบแล้ว แต่ไม่ - อุปกรณ์โปรตอนยังคงเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่สำคัญที่สุด หัวข้อที่น่าสนใจในฟิสิกส์อนุภาค ยิ่งไปกว่านั้น ความสนใจในเรื่องนี้เพิ่มขึ้นอีกครั้งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากนักฟิสิกส์ได้ค้นพบวิธีที่จะได้ภาพโปรตอนที่เคลื่อนที่เร็ว "สามมิติ" ซึ่งกลายเป็นเรื่องยากกว่าภาพโปรตอนที่นิ่งอยู่มาก

การทดลองแบบดั้งเดิมเกี่ยวกับการชนของโปรตอนบอกเฉพาะจำนวนพาร์ตอนและการกระจายพลังงานของพวกมันเท่านั้น ในการทดลองดังกล่าว พาร์ตอนมีส่วนร่วมในฐานะวัตถุอิสระ ซึ่งหมายความว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะทราบจากพวกมันว่าพาร์ตอนนั้นอยู่สัมพันธ์กันอย่างไร หรือพวกมันรวมกันเป็นโปรตอนได้อย่างไร เราสามารถพูดได้ว่าเป็นเวลานานแล้วที่นักฟิสิกส์มีเพียงภาพ "มิติเดียว" ของโปรตอนที่เคลื่อนที่เร็วเท่านั้น

ในการสร้างภาพโปรตอนสามมิติของจริงและค้นหาการกระจายตัวของพาร์ตอนในอวกาศ จำเป็นต้องมีการทดลองที่ละเอียดอ่อนมากกว่าการทดลองเมื่อ 40 ปีที่แล้ว นักฟิสิกส์ได้เรียนรู้ที่จะดำเนินการทดลองดังกล่าวเมื่อไม่นานมานี้ในทศวรรษที่ผ่านมา พวกเขาตระหนักได้ว่าในหมู่ จำนวนมากจากปฏิกิริยาต่างๆ ที่เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนชนกับโปรตอน มีปฏิกิริยาพิเศษอย่างหนึ่งคือ การกระเจิงของคอมป์ตันเสมือนเชิงลึก, - ซึ่งสามารถบอกเราเกี่ยวกับโครงสร้างสามมิติของโปรตอนได้

โดยทั่วไป การกระเจิงของคอมป์ตันหรือปรากฏการณ์คอมป์ตัน คือการชนกันแบบยืดหยุ่นของโฟตอนกับอนุภาค เช่น โปรตอน ดูเหมือนว่าโฟตอนที่มาถึงถูกโปรตอนดูดซับซึ่งจะเข้าสู่สภาวะตื่นเต้นในช่วงเวลาสั้น ๆ จากนั้นกลับสู่สถานะดั้งเดิมโดยปล่อยโฟตอนไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง

การกระเจิงของโฟตอนแสงธรรมดาของคอมป์ตันไม่ได้นำไปสู่สิ่งที่น่าสนใจ - มันเป็นเพียงการสะท้อนของแสงจากโปรตอน เพื่อให้โครงสร้างภายในของโปรตอน "เข้ามามีบทบาท" และการกระจายตัวของควาร์ก "รู้สึกได้" จำเป็นต้องใช้โฟตอนที่มีพลังงานสูงมาก ซึ่งมากกว่าแสงธรรมดาหลายพันล้านเท่า และโฟตอนดังกล่าว แม้จะเป็นเพียงโฟตอนก็ตาม ก็ถูกสร้างขึ้นอย่างง่ายดายจากอิเล็กตรอนที่ตกกระทบ หากตอนนี้เรารวมเข้าด้วยกัน เราจะได้การกระเจิงของคอมป์ตันเสมือนเชิงลึก (รูปที่ 5)

ลักษณะสำคัญของปฏิกิริยานี้คือไม่ทำลายโปรตอน โฟตอนที่ตกกระทบไม่เพียงแต่กระทบโปรตอนเท่านั้น แต่ยังรู้สึกอย่างระมัดระวังแล้วบินหนีไป ทิศทางที่มันบินออกไปและส่วนใดของพลังงานที่โปรตอนใช้ไปจะขึ้นอยู่กับโครงสร้างของโปรตอน ตำแหน่งสัมพัทธ์พาร์ตันอยู่ข้างใน ด้วยเหตุนี้ เมื่อศึกษากระบวนการนี้ จึงเป็นไปได้ที่จะฟื้นฟูรูปลักษณ์สามมิติของโปรตอนได้ ราวกับจะ "แกะสลักรูปปั้นของมัน"

จริงอยู่ นี่เป็นเรื่องยากมากสำหรับนักฟิสิกส์ทดลองที่จะทำ กระบวนการที่จำเป็นเกิดขึ้นค่อนข้างน้อย และเป็นการยากที่จะลงทะเบียน ข้อมูลการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับปฏิกิริยานี้ได้รับเฉพาะในปี 2544 ที่เครื่องเร่ง HERA ที่ DESY คอมเพล็กซ์เครื่องเร่งความเร็วของเยอรมันในฮัมบูร์ก ขณะนี้ผู้ทดลองกำลังประมวลผลข้อมูลชุดใหม่ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันนี้ จากข้อมูลแรก นักทฤษฎีกำลังวาดการแจกแจงสามมิติของควาร์กและกลูออนในโปรตอน ปริมาณทางกายภาพซึ่งนักฟิสิกส์เคยแต่ตั้งสมมติฐานมาก่อน ในที่สุดก็เริ่ม "ปรากฏ" จากการทดลอง

มีการค้นพบที่ไม่คาดคิดรอเราอยู่ในบริเวณนี้หรือไม่? มีแนวโน้มว่าใช่ เพื่อเป็นตัวอย่าง สมมติว่าในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2551 มีบทความทางทฤษฎีที่น่าสนใจปรากฏขึ้น ซึ่งระบุว่าโปรตอนที่เคลื่อนที่เร็วไม่ควรมีลักษณะเหมือนจานแบน แต่เป็นเลนส์ที่มีรูปทรงโค้งมนสองเหลี่ยม สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากส่วนที่นั่งอยู่ตรงกลางของโปรตอนถูกบีบอัดอย่างแรงในทิศทางตามยาวมากกว่าส่วนที่นั่งอยู่ที่ขอบ เป็นเรื่องน่าสนใจมากที่จะทดสอบการทำนายทางทฤษฎีเหล่านี้ด้วยการทดลอง!

ทำไมทั้งหมดนี้ถึงน่าสนใจสำหรับนักฟิสิกส์?

เหตุใดนักฟิสิกส์จึงจำเป็นต้องรู้อย่างชัดเจนว่าสสารมีการกระจายภายในโปรตอนและนิวตรอนอย่างไร

ประการแรก สิ่งนี้จำเป็นสำหรับตรรกะของการพัฒนาฟิสิกส์ มีสิ่งมหัศจรรย์มากมายในโลก ระบบที่ซับซ้อนซึ่งฟิสิกส์ทฤษฎีสมัยใหม่ยังไม่สามารถรับมือกับมันได้อย่างเต็มที่ Hadrons ก็เป็นหนึ่งในระบบดังกล่าว ด้วยการทำความเข้าใจโครงสร้างของฮาดรอน เราได้ฝึกฝนความสามารถของเรา ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีซึ่งอาจกลายเป็นสากลและอาจช่วยในสิ่งที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเช่นในการศึกษาตัวนำยิ่งยวดหรือวัสดุอื่นที่มีคุณสมบัติผิดปกติ

ประการที่สอง มีประโยชน์โดยตรงต่อ ฟิสิกส์นิวเคลียร์- แม้ว่าการศึกษานิวเคลียสของอะตอมจะมีประวัติศาสตร์ยาวนานเกือบศตวรรษ แต่นักทฤษฎีก็ยังไม่ทราบกฎที่แน่นอนของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตอนและนิวตรอน

พวกเขาต้องเดากฎนี้บางส่วนจากข้อมูลการทดลอง และบางส่วนต้องสร้างมันขึ้นมาจากความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของนิวคลีออน นี่คือจุดที่ข้อมูลใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างสามมิติของนิวคลีออนจะช่วยได้

ประการที่สาม เมื่อหลายปีก่อนนักฟิสิกส์สามารถได้รับสิ่งใหม่ๆ เพียงเล็กน้อย สถานะของการรวมตัวสาร - พลาสมาควาร์ก - กลูออน ในสถานะนี้ ควาร์กไม่ได้นั่งอยู่ในโปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัว แต่จะเดินอย่างอิสระไปทั่วกลุ่มสสารนิวเคลียร์ สิ่งนี้สามารถทำได้ เช่น นิวเคลียสหนักจะถูกเร่งด้วยเครื่องเร่งความเร็วด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสงมาก จากนั้นชนกันแบบเผชิญหน้ากัน ในการชนกันครั้งนี้ อุณหภูมิหลายล้านล้านองศาจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาสั้นๆ ซึ่งทำให้นิวเคลียสละลายเป็นพลาสมาควาร์ก-กลูออน ปรากฎว่าจำเป็นต้องมีการคำนวณทางทฤษฎีของการหลอมนิวเคลียร์นี้ ความรู้ที่ดีโครงสร้างสามมิติของนิวคลีออน

สุดท้ายนี้ ข้อมูลเหล่านี้มีความจำเป็นมากสำหรับดาราศาสตร์ฟิสิกส์ เมื่อดาวฤกษ์มวลมากระเบิดเมื่อบั้นปลายชีวิต พวกมันมักจะทิ้งวัตถุที่มีขนาดกะทัดรัดมากไว้เบื้องหลัง เช่น ดาวนิวตรอนและดาวควาร์ก แกนกลางของดาวฤกษ์เหล่านี้ประกอบด้วยนิวตรอนทั้งหมด และอาจเป็นพลาสมาควาร์ก-กลูออนเย็นด้วยซ้ำ ดาวดังกล่าวถูกค้นพบมานานแล้ว แต่ใคร ๆ ก็สามารถเดาได้ว่าเกิดอะไรขึ้นภายในดาวเหล่านั้น ดังนั้นความเข้าใจที่ดีเกี่ยวกับการกระจายตัวของควาร์กสามารถนำไปสู่ความก้าวหน้าในด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้