Определение протон в физике видео: Задача на действие магнитного поля на протон. Часть 1/2 (видео)

Исследование подтверждает, что протон имеет собственный очарованный кварк

НовостиФизика

20.08.2022

2 714 2 минут чтения

Хотя физики спорили об этом почти четыре десятилетия, новый анализ данных, проведенный коллаборацией NNPDF, показал, что протон действительно обладает еще одной элементарной частицей, называемой очарованным кварком. Внутренняя природа этого кварка может иметь важные последствия для поиска новой физики.

Вся окружающая нас материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из субатомных частиц: протоны и нейтроны составляют ядро, вокруг которого тяготеют электроны. Согласно стандартной модели физики частиц, протон является так называемой составной частицей: экспериментальные данные показывают, что он состоит как минимум из трех частиц (двух верхних кварков и одного нижнего кварка), связанных глюонами. Квантовая теория предсказывает, однако, что протон может содержать несколько других кварк-антикварковых пар, включая очарованные кварки, которые более массивны, чем сам протон.

Теоретики считают, что эти очарованные кварки «присущи» протону, что означает, что они являются частью протона на больших временных масштабах, а не результатом взаимодействия с внешней частицей. Однако ни один эксперимент пока не смог доказать существование этого присущего очаровательного кварка. Анализируя огромные массивы данных о столкновениях с помощью методов машинного обучения, коллаборация NNPDF наконец-то предоставила долгожданное доказательство.

Проанализированы данные о более чем 500 000 столкновений

Сотрудничество NNPDF (нейросетевая функция распределения партонов) проводит исследования в области физики высоких энергий. Его цель — определить точную структуру протона (т.е. распределение его составных частей, кварков и глюонов) с помощью методов искусственного интеллекта. Эти знания являются важнейшим элементом исследовательской программы Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе.

Если говорить конкретно, то группа использовала модель машинного обучения для построения различных гипотетических структур протонов с различными ароматами кварков; напомним вкратце, что существует шесть ароматов: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Затем они сравнили эти различные структуры протонов с результатами, полученными в результате более чем 500 000 реальных столкновений в ускорителях частиц за последние десять лет.

Функции распределения партонов собственного очарованного кварка и сравнение с моделями.

Они обнаружили, что крошечная доля (0,5%) импульса протона приходится на очарованный кварк. Последний намного тяжелее верхнего и нижнего кварков (в тысячи раз тяжелее верхнего кварка!). Это открытие связано, в частности, с проведенным в прошлом году на Большом адронном коллайдере (LHCb) экспериментом по изучению Z-бозона, который выявил наличие очарованных кварков в протонах. Согласно своим расчетам, команда считает, что в протоне — масса которого чуть меньше 1 ГэВ — очаровательные кварки и их античастицы, каждая с массой около 1,5 ГэВ, иногда появляются спонтанно.

Уверенность все еще слишком низкая

Итак, как бы невероятно это ни казалось, протон может состоять из частицы более массивной, чем он сам! «Это противоречит всякому здравому смыслу. Это все равно, что купить килограммовую пачку соли и получить два килограмма песка. Но в квантовой механике такое вполне возможно», — объясняет Хуан Рохо, физик-теоретик из Свободного университета Амстердама и ведущий автор статьи, описывающей это открытие.

Исследователи также утверждают, что если бы у протона не было пары очарование-антиочарование кварков, то шанс получить значения, наблюдаемые экспериментально, составлял бы всего 0,3%. Это дает их результатам уровень доверия в 3 сигмы. «Это то, что мы называем серьезным показателем в физике частиц«, — говорит Рохо. Однако для того, чтобы результат считался действительно значимым, необходим уровень в 5 сигм. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы перейти от статуса «доказательство» к статусу «открытие».

В ускорителях частиц движение сталкивающихся протонов дает так много энергии, что из этой энергии иногда образуются тяжелые кварки и их античастицы — эти «внешние» кварки не являются фундаментальными для идентичности протона. Вместо этого, это кварки, которые естественным образом появляются время от времени в невозмущенном и, следовательно, низкоэнергетическом протоне.

Это явление редкое, но может иметь большое значение для экспериментов на БАК. «В экспериментах ЦЕРНа мы создаем столкновения между протонами и ищем тонкие аномалии, которые могут указывать на новые частицы или силы. Это возможно только в том случае, если мы полностью поймем их природу«, — заключает физик.

Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram

Back to top button

Впервые получено указание на «внутреннее очарование» в протоне • Игорь Иванов • Новости науки на «Элементах» • Физика, Свойства адронов

Протон состоит из трех кварков — но только пока он неподвижен. Если же протон пролетает мимо нас на околосветовой скорости, его состав кардинально меняется и может включать, среди прочего, и небольшую долю тяжелых «очарованных» кварков. Эта идея была высказана почти полвека назад, но до сих пор ее справедливость не удавалось подтвердить в эксперименте. Недавно коллаборация NNPDF, проанализировав результаты нескольких тысяч измерений и обновив свое описание устройства протона, впервые получила четкое указание на то, что очарованные кварки и антикварки действительно присутствуют в протоне.

Из чего состоит протон?

Квантовый мир и так полон удивительных явлений, которые не вписываются в рамки повседневной интуиции, но, когда квантовые частицы еще и движутся с околосветовыми скоростями, появляются новые сюрпризы.

Вот простой, казалось бы, вопрос: из чего состоит протон? Оказывается, ответ зависит от того, из какой системы отсчета мы этот протон наблюдаем. Если он неподвижен или движется медленно, то годится школьный ответ: протон состоит из трех кварков [uud], скрепленных сильным взаимодействием, этаким коконом из глюонного силового поля. Но если протон пролетает мимо нас со скоростью, близкой к скорости света, то в нем, помимо трех исходных кварков (их называют «валентными»), присутствует большое количество дополнительных (на физическом жаргоне — «морских») кварков и антикварков, а также глюонов. Все эти частицы коллективно называются партонами; они летят вместе с валентными кварками и несут в себе существенную долю энергии и импульса всего протона. Именно эти взаимопроникающие и взаимодействующие облака из всевозможных партонов и представляет собой то, что мы воспринимаем как цельный протон (рис. 1).

Как такое, в принципе, может быть? Откуда берется эта толпа частиц, которых не было в неподвижном протоне? Ответ в том, что эти объекты, на самом деле, были и в неподвижном протоне, просто они выглядели не как полноправные частицы, а как квантовые флуктуации силового поля, скрепляющего три кварка. Если же протон пролетает на околосветовой скорости, характеристики этих флуктуаций меняются, и они становятся практически реальными частицами, населяющими протон. Подробнее об этих удивительных метаморфозах протона можно прочитать в популярной статье Многоликий протон, а также в недавней новости Разрешена двадцатилетняя загадка антикваркового устройства протона («Элементы», 01.03.2021).

Из этого наблюдения вытекают новые вопросы, которые выводят нас на передней край физики элементарных частиц. Из каких именно кварков и антикварков и в каких пропорциях состоит протон? Можно ли этот сложный состав вычислить теоретически и проверить экспериментально?

Теоретически вычислить точный состав быстро летящего протона пока не представляется возможным — по крайней мере, на сегодняшний день. Но это вовсе не означает, что все пропало. Состав протона можно исследовать экспериментально, сталкивая эти самые протоны друг с другом или с иными частицами. Для этого физики параметризуют (то есть пытаются угадать) распределение кварков, антикварков и глюонов внутри протона, а затем на основе этой параметризации вычисляют вероятности тех или иных процессов, которые могут произойти в столкновении протонов большой энергии. Результаты вычислений сравнивают с измерениями, и физики пытаются подобрать такую параметризацию партонных распределений, чтобы результат вычислений как можно точнее совпадал с экспериментами.

Одним словом, определить состав протона трудно именно потому, что «рецепт» его устройства приходится выцарапывать у природы вот таким косвенным способом.

Тяжелые кварки в протоне

Изучение структуры быстро летящего протона ведется уже более полувека. Новые коллайдеры приходят на смену старым и приносят новые данные, которые охватывают все больший диапазон энергий столкновений и импульсов рожденных частиц. Тщательные измерения дифференциальных сечений десятков и сотен разных процессов позволяет все точнее угадывать долю тех или иных партонов внутри протона и их распределение по доли протонного импульса, которую они несут. В процессе этого исследования разрешаются некоторые давние загадки или возникают новые.

Например, вот уже несколько десятилетий физики изучают, как из свойств партонов возникает спин протона (см. Так из чего всё-таки складывается спин протона?, «Элементы», 24.09.2013). Также, в прошлом году мы рассказывали о том, как физики пытаются разобраться, каких антикварков в протоне больше — анти-u или анти-d. И вот сейчас, в середине августа, в журнале Nature появилась статья теоретиков, которая приподнимает еще одну завесу тайны в устройстве протона, над которой физики бились свыше 40 лет.

Речь идет о вопросе, входят ли в состав быстро летящего протона тяжелые кварки, а конкретно — так называемые очарованные кварки с. Вопрос нетривиальный. Описанная выше картина позволяет легко представить, как внутри протона появляются и исчезают многочисленные легкие кварки и их антикварки (u, d, s), ведь их массы существенно меньше массы протона. Но очарованный кварк в полтора раза тяжелее протона; а значит, c-анти-c пара тяжелее протона уже в три раза. Неужели такой тяжелый объект может входить в состав более легкого?

Конечно, закон сохранения энергии и импульса никто нарушать не собирается. И если речь идет о том, что внутри протона появляется c-анти-c пара (см. рис. 3), то, во-первых, она возникает лишь на некоторое время, а во-вторых, эти кварки — не полноценные, а виртуальные. С этими оговорками уже нет никаких препятствий для того, чтобы принять, что виртуальные очарованные кварки действительно можно найти внутри быстро летящего протона — с небольшой, но ненулевой вероятностью. Более того, в обзоре 2015 года, посвященном этой проблеме, прямо сказано, что такой вывод с необходимостью следует из теории сильного взаимодействия (S. J. Brodsky et al., 2015. A review of the intrinsic heavy quark content of the nucleon). Вопрос только в том, какова эта вероятность и можно ли ее достоверно почувствовать в каком-нибудь эксперименте.

Тут следует подчеркнуть еще одну тонкость — их в этом вопросе немало. Если мы столкнули друг с другом два протона и обнаружили, что в результате родились адроны с очарованным кварком в своем составе, то это еще не значит, что очарованные кварки присутствовали в протоне изначально. Скорее всего, они просто родились в самом столкновении либо за мгновение до него. Такое происхождение новых частиц не вызывает удивления: физики, собственно, для этого и сталкивают протоны, чтобы произвести на свет тяжелые частицы.

Но нас ведь интересует не это. Нам требуется узнать, были ли очарованные кварки в протоне изначально, существовали ли они внутри него пусть не всегда, но в течение некоторого значительного времени до столкновения. Такое участие очарованных кварков в формировании структуры протона называется «внутренним очарованием» протона (intrinsic charm). Вот его опознать намного труднее. Именно вокруг вопроса о «внутреннем очаровании» протона шли споры, то разгораясь, то затухая, с 1980 года, с момента первой публикации на эту тему (S. J. Brodsky et al., 1980. The intrinsic charm of the proton). И надо сказать, несмотря на сотни работ на основе упрощенных моделей устройства протона, ситуация оставалась запутанной, главным образом из-за невозможности проверить эти предсказания каким-то одним прямым экспериментом.

Недавние результаты коллаборации NNPDF

Выше мы уже упоминали, что, хотя партонные распределения нельзя измерить в чистом виде, их можно «угадать» путем сравнения с экспериментом. Существует ряд исследовательских групп, которые раз в несколько лет обрабатывают новые экспериментальные данные и подбирают функции партонных распределений, приводящие к наилучшему согласию с экспериментом. Коллаборация NNPDF — одна из таких групп. Буквы «NN» в ее названии означают Neural Networks (нейронные сети), поскольку анализ этой группы существенным образом опирается на методы машинного обучения.

Коллаборация NNPDF публикует параметризации партонных распределений уже почти 20 лет. Недавно она обновила свой анализ, учтя несколько тысяч экспериментальных результатов и настроив свои партонные распределения на эти данные (см. подробности в 119-страничной статье R. D. Ball et al., 2022. The path to proton structure at 1% accuracy). Большое число экспериментальных данных и улучшенная методика анализа позволили авторам уменьшить погрешности определения партонных плотностей. Именно благодаря уменьшившимся погрешностям авторам удалось «прощупать» те особенности в устройстве протона, про которые раньше было сложно сказать что-то более определенное. В частности, в отдельной статье, удостоившейся публикации в Nature, впервые было получено указание на то, что в протоне действительно присутствует «внутреннее очарование».

На рис. 3 воспроизведен один из ключевых результатов обсуждаемого исследования. Здесь сплошной синей линией показан вклад очарованных кварков и антикварков в устройство протона, причем речь идет именно о «внутреннем», исходном присутствии очарованных кварков в протоне до его столкновения. Эта величина приведена как функция переменной x — доле протонного импульса, которую эти кварки несут. Тот факт, что кривая имеет широкий максимум в районе x = 0,5, означает, что если уж нам посчастливилось встретить очарованный кварк или антикварк в протоне, то скорее всего он будет нести примерно половину протонного импульса.

Видно также, что кривая поднимается невысоко, до значения примерно 0,015. Получается, очарованные кварки все-таки встречаются в протоне довольно редко: c-анти-c пара может возникнуть на какое-то время, но затем аннигилирует. Или, если то же выразить иначе, если вы в какой-то момент времени смогли бы сделать «моментальный снимок» протона, то в подавляющем большинстве случаев очарованных кварков вы бы там не нашли. Зато в том редком случае, когда c-анти-c-кварковая пара в протоне присутствует, она будет нести почти весь протонный импульс. Если же усреднить по всем «ипостасям» протона, то окажется, что очарованные кварки или антикварки в среднем несут чуть меньше одного процента от полного импульса протона.

Насколько надежны эти выводы? Ответ дает светло-синяя область на графике, которая показывает величину неопределенностей. При значении x ниже 0,25 погрешность так велика, что захватывает нуль. Это значит, что данный анализ не позволяет определить, имеются ли в протоне очарованные кварки с таким небольшим импульсом. Однако в районе x = 0,5 неопределенности уменьшаются, и кривая идет выше нуля с большим запасом. Если к тысячам прежних измерений добавить новые данные детектора LHCb, опубликованные лишь полгода назад, погрешности уменьшатся еще сильнее, и синяя кривая будет в своей средней части отличаться от нуля более чем на три стандартных отклонения. Именно эти заветные 3σ и позволили авторам работы впервые заявить о том, что они действительно видят надежное указание на «внутреннее очарование» протона.

Итак, можно достаточно уверенно говорить, что «внутренний чарм» протона реален и что его распределение по x более-менее соответствует ожиданиям простых моделей, включая самую первую оценку 1980 года. Впрочем, этот результат следует рассматривать не как изолированное достижение (и тем более — не как сенсацию), а лишь как еще один шаг на пути к детальному пониманию устройства протона и, более широко, физики сильного взаимодействия. Возможно, когда-нибудь мы научимся вычислять вклад очарованных кварков на основе одной лишь чистой теории. Но до тех пор мы можем все лучше определять его вклад, исходя из экспериментальных данных, тем самым уточняя предсказания для будущих экспериментов.

Источник: The NNPDF Collaboration. Evidence for intrinsic charm quarks in the proton // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04998-2.

См. также:
1) Evidence at last that the proton has intrinsic charm — популярное изложение обсуждаемой работы в разделе News and Views журнала Nature.
2) Марат Хамадеев, В протоне нашли внутреннее очарование («N+1», 18.08.2022).
3) Разрешена двадцатилетняя загадка антикваркового устройства протона («Элементы», 01.03.2021) — еще один недавний результат касательно партонных распределений в протоне.

Игорь Иванов

Физика Открытие протона и нейтрона. Состав атомного ядра. Ядерные силы

Материалы к уроку

Конспект урока

Опыт Резерфорда и открытие радиоактивности свидетельствуют о сложном строении атома.

Резерфорд обладал научной интуицией, и в 1913 году он предположил, что одна из частиц, входящих в состав каждого атома, есть ни что иное, как ядро атома водорода.  

На какие же факты опирался ученый, когда сделал это гениальное предположение? 

Оказывается, масса ядра любого химического элемента отличается от массы ядра водорода в целое число раз.

Убедится в истинности гипотезы, что одной из частиц атома является ядро водорода, удалось, когда с помощью камеры Вильсона сфотографировали треки (следы) альфа-частиц, которые взаимодействовали с атомами азота.На картинке, которую наблюдали ученые, видны следы альфа-частиц, которые, в большинстве своем, никак не изменяют своего движения. И только в одном месте наблюдается разветвление. Оно означает, что в этом месте альфа-частица «встретилась» с ядром атома азота. В результате такого столкновения образовались ядра атомов водорода и кислорода (в этом можно убедиться, если изучить траектории искривления треков, поместив всю систему в магнитное поле).

Атом водорода, то есть частица, которая, как мы уже убедились на опыте, входит в состав атома, Резерфорд назвал протоном. В переводе с греческого слово «протон» означает первый.

Запишем реакцию взаимодействия между атомами азота и альфа-частицами.

При взаимодействии азот с альфа частицей, а альфа частица есть ядро гелия, происходит преобразование в кислород и водород.

Протон обозначают символом «пэ», с массовым и зарядовым числами, равными единице. Величина заряда протона по модулю равна величине заряда электрона.

Ученые также обстреливали альфа частицами такие вещества, как бор, алюминий, натрий и многие другие. Во всех случаях в результате взаимодействия ядер выбивались протоны (ядра водорода). Это дало основание предположить, что протоны входят в состав всех химических элементов.

Чтобы упростить процесс понимания строения ядра, Резерфорд предложил следующую модель: ядро состоит из упругих сфер, похожих на бильярдные шары. Используя этот простой образ, ученый мог построить все элементы, поскольку все они состоят из одного базового компонента – протона. Водород состоит из одного такого элемента. Все остальные элементы образованы путем добавления протона в ядро. Гелий, второй элемент, так же очень легкий, состоит из двух протонов.  У лития три протона, и так далее. Получалось, что каждый элемент определялся числом протонов в ядре.

После того, как ученым удалось взвесить атом, оказалось, что все ядра, кроме водорода, весили больше, чем должны были быть. Например, гелий, с двумя протонами, должен был весить как два ядра водорода, а весил в два раза больше. Значит, в ядре есть еще какие-то частицы. Тогда Резерфорд предположил, что существует нейтральная частица, то есть частица, у которой нет заряда. Эта частица входит в состав ядра. Она получила название нейтрон. А масса этой частицы, приблизительно равна массе протона. Частицу обозначили буквой «эн». Как вы видите, зарядовое число частицы равно нулю. Зарегистрировать нейтрон было гораздо сложнее, так как он не имеет заряда, и это удалось сделать лишь в 1932 году Джеймсу Чедвику. Наличие в ядре нейтрона, сразу решило проблему веса атома. Гелий в четыре раза тяжелее водорода, так как кроме двух протонов он содержит два нейтрона. Литий в шесть раз тяжелее водорода, так как он содержит три протона и три нейтрона и так далее. Такая модель атома, получила название протонно-нейтронная модель строения ядра. Частицы, из которых состоит ядро, протоны и нейтроны, можно назвать одним словом — нуклоны. Общее число нуклонов обозначают буквой А, это массовое число. Например, в атоме лития число нуклонов равно шести. В азоте — четырнадцати. Число протонов в ядре обозначается буквой Z — это зарядовое число.  Например, в литии, число протонов равно трем, значит и зарядовое число равно трем. Зарядовое число в азоте равно семи. Протонно-нейтронная модель атома так же объяснила существование изотопов, то есть разновидности одного и того же химического элемента, которые отличаются только массами атомных ядер. Оказывается, ядра изотопов содержат то же самое количество протонов, что и сам элемент, но разное число нейтронов. Например, в состав изотопа водорода дейтерия входят две частицы протон и нейтрон. Тогда, как сам водород,- это есть только один протон. Силы, благодаря которым нуклоны удерживаются в ядре, получили название ядерные силы. Это особый вид взаимодействия, который не встретишь в нашем макромире. Эти силы действуют только на очень малом расстоянии, но они очень велики.

 

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Видео с вопросами: Понимание свойств атомов

Стенограмма видео

Если в атоме четыре протона, три нейтрона и четыре электрона, каков относительный заряд атома?

Хорошо. Итак, относительно короткий вопрос, но давайте все равно подчеркнем все важные моменты, просто чтобы ничего не упустить. У нас есть атом, который имеет четыре протона, три нейтрона и четыре электрона. Нам нужно найти относительный заряд атома. Для этого нам, вероятно, было бы весьма полезно знать, что означает относительный заряд. Таким образом, относительный заряд частицы определяется как заряд этой частицы, деленный на заряд протона. Другими словами, мы измеряем заряд этой частицы относительно заряда протона. Вот почему это называется относительным зарядом. Тот факт, что мы измеряем заряд относительно заряда протона, — это просто то, что мы должны помнить.

Итак, теперь, когда мы знаем об относительном заряде, это будет наш план на игру. Поскольку мы знаем, что атом состоит из протонов, нейтронов и электронов, мы сначала найдем относительные заряды каждого из этих элементов. Другими словами, мы найдем относительный заряд протона, относительный заряд нейтрона и относительный заряд электрона. Затем мы можем объединить все эти относительные заряды, чтобы получить относительный заряд атома.

Итак, начнем с определения относительного заряда протона. Для этого нам нужно знать, каков фактический заряд протона. Итак, мы знаем, что стандартной единицей заряда является кулон. А в кулонах заряд протона равен 1,6 умножить на 10 в степени минус 19.кулоны. Но помните, мы находим относительный заряд протона. Таким образом, очевидно, что в числителе заряд частицы также будет равен 1,6 умножить на 10 в отрицательной степени 19 кулонов. Итак, мы знаем, что эта дробь в конечном итоге равна единице. А точнее, мы назовем это позитивным на данный момент. Поэтому относительный заряд протона положительный. Разве это не имеет большого смысла? Заряд протона относительно заряда протона положительный. Кто бы мог подумать?

В любом случае, давайте перейдем к другой частице. Найдем относительный заряд нейтрона. Для этого нам нужно разделить заряд нейтрона в числителе, который мы заполним через секунду, на заряд протона, потому что, опять же, мы измеряем заряды относительно заряда атома. протон. Так что этот знаменатель всегда остается одним и тем же. И теперь мы можем заполнить числитель. Нам нужно заполнить числитель зарядом нейтрона. Но это нейтрон. Это нейтральная частица. Значит заряд равен нулю. А поскольку мы знаем, что ноль, деленный на что-либо, по-прежнему равен нулю, относительный заряд нейтрона равен нулю. И поэтому мы можем поместить это в нашу маленькую таблицу. И мы можем перейти к нахождению относительного заряда электрона.

И снова заряд протона в знаменателе. И нам нужно поставить в числителе заряд электрона. В кулонах этот заряд оказывается отрицательным в 1,6 раза по 10 в степени минус 19 кулонов. Другими словами, электрон имеет заряды того же размера, что и протон, но полярность противоположна. Это отрицательный заряд. Тогда как протон имеет положительный заряд. Таким образом, относительный заряд электрона оказывается отрицательным. Другими словами, по отношению к заряду протона электрон имеет отрицательный заряд. И мы поместили это в наш маленький столик.

Итак, мы нашли относительные заряды всех трех типов частиц, составляющих атом в нашем вопросе. Это означает, что мы можем перейти к нахождению относительного заряда самого атома. Относительный заряд нашего атома будет просто комбинацией относительных зарядов протонов, нейтронов и электронов. Потому что, допустим, у нас есть атом, состоящий всего из двух протонов. По сути, это просто ядро ​​гелия без электронов или нейтронов. Но это в данный момент времени не актуально.

Допустим, у нас есть атом с двумя протонами. Что ж, тогда относительный заряд этого атома — это заряд атома относительно заряда одного протона. Таким образом, действительный заряд этого атома будет равен заряду двух протонов, первого и второго. Другими словами, это будет 1,6 умножить на 10 в степени минус 19, заряд одного протона плюс еще столько же, потому что у нас два протона. И это 3,2 умножить на 10 в минус 19 кулонах. Это реальный заряд атома. Таким образом, относительный заряд атома равен заряду, деленному на заряд протона, 1,6 умножить на 10 в отрицательной степени 19.кулоны. И это просто заканчивается двумя, как и следовало ожидать, потому что два протона имеют относительный заряд плюс два.

Но теперь предположим, что у нас все еще есть этот атом. Но теперь у нас есть один электрон, вращающийся вокруг этого ядра. Ну тогда относительный заряд этого атома меняется. Заряд электрона уравновешивает заряд одного из протонов. И, очевидно, это не означает, что протон и электрон исчезают. Просто заряды отменяются. А общий оставшийся заряд равен как раз заряду одного протона. Итак, теперь относительный заряд этого атома, двух протонов и электрона вместе, равен единице. Или, если мы хотим быть более конкретными, положительный.

А теперь давайте добавим в смесь нейтрон. Допустим, в ядре атома есть нейтрон. Ну, еще раз, один из зарядов протона уравновешивает заряд электрона. Таким образом, результирующий заряд, общий оставшийся заряд, равен заряду одного протона и одного нейтрона. Но у нейтрона относительный заряд равен нулю. Таким образом, относительный заряд всего атома по-прежнему положительный. И это важный момент, на который стоит обратить внимание. Количество нейтронов в атоме совершенно не влияет на относительный заряд атома.

Итак, возвращаясь к нашему вопросу, у нас есть атом, состоящий из четырех протонов, трех нейтронов и четырех электронов. Протоны и нейтроны находятся в ядре в центре атома. И электроны вращаются вокруг этого ядра. Но несмотря ни на что, это наш атом. Мы только что упомянули, что количество нейтронов не имеет ничего общего с общим относительным зарядом атома. Итак, давайте начнем сокращать протоны электронами. Поскольку у нас есть четыре протона и четыре электрона, каждый из них компенсирует другой. Таким образом, общий относительный заряд нашего атома равен нулю. Мы также можем вычислить это следующим образом: относительный заряд атома равен общему относительному заряду четырех протонов плюс заряд трех нейтронов плюс заряд четырех электронов. В итоге получается четыре плюс ноль плюс минус четыре, что снова равно нулю.

Итак, наш окончательный ответ заключается в том, что атом, который имеет четыре протона, три нейтрона и четыре электрона, имеет относительный заряд, равный нулю.

Что такое атом? Определение и структура

По

• Бен Луткевич,
  Технический писатель

Что такое атом?

Атом — это частица вещества, однозначно определяющая химический элемент. Атом состоит из центрального ядра, окруженного одним или несколькими отрицательно заряженными электронами. Ядро заряжено положительно и содержит одну или несколько относительно тяжелых частиц, известных как протоны и нейтроны.

Атомы являются основными строительными блоками материи. Все, что занимает пространство, и все, что имеет массу, состоит из атомов.

Что такое протоны и нейтроны?

Протоны и нейтроны — субатомные частицы, составляющие центр атома или его атомное ядро.

• протон заряжен положительно. Число протонов в ядре атома является атомным номером химического элемента. Атомные номера различных элементов можно найти в Периодической таблице элементов. Например, у натрия 11 протонов, а его атомный номер равен 11. Протон имеет массу покоя, обозначаемую m _p , примерно 1,673 x 10 ^-27 кг.
• Нейтрон электрически нейтрален и имеет массу покоя, обозначенную m _n , приблизительно 1,675 x 10 ^-27 .

Масса протона или нейтрона увеличивается, когда частица достигает предельной скорости, например, в циклотроне или линейном ускорителе.

Строение атома

Общая масса атома, включая протоны, нейтроны и электроны, является атомной массой или атомным весом. Атомная масса или вес измеряется в атомных единицах массы.

Протоны и нейтроны составляют ядро ​​атома и орбиту электронов.

Электроны составляют лишь крошечную часть массы атомной структуры, однако они играют важную роль в химических реакциях, в результате которых образуются молекулы. Для большинства целей атомный вес можно рассматривать как количество протонов плюс количество нейтронов. Поскольку количество нейтронов в атоме может варьироваться, для большинства элементов может быть несколько различных атомных весов.

Протоны и электроны имеют одинаковые и противоположные заряды. Протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Обычно атомы имеют одинаковое количество протонов и электронов, что придает им нейтральный заряд.

Ион — это атом с другим числом электронов, чем у протонов, и он электрически заряжен. Ион с дополнительными электронами имеет отрицательный заряд и называется анионом , а ион с недостатком электронов имеет положительный заряд и называется катионом .

Атомы, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, представляют собой один и тот же элемент и известны как изотопы этого элемента. Изотоп элемента определяется суммой количества протонов и нейтронов. Например, следующие два изотопа атома углерода:

• Углерод-12 — наиболее распространенный нерадиоактивный изотоп углерода.
• Углерод-14 — менее распространенный радиоактивный изотоп углерода.

Единственный нейтральный атом без нейтронов — это атом водорода. Он имеет один электрон и один протон.