Kendimiz de dahil olmak üzere tüm bedenler, atom adı verilen küçük yapı taşlarından oluşur. Doğada olduğu kadar çok "tuğla" türü vardır. kimyasal elementler. Bir kimyasal element, aynı tip atomların bir koleksiyonudur.

Maddenin en küçük "parçacıklardan" oluştuğu fikri, eski Yunan bilim adamları tarafından dile getirildi. Bu parçacıklara atom adını veren onlardı (Yunanca "bölünemez" anlamına gelen kelimeden). Eski Yunanlılar atomların şu şekilde olduğuna inanıyorlardı. düzenli çokyüzlü: küp ("toprak atomları"), tetrahedron ("ateş atomları"), oktahedron ("hava atomları"), ikosahedron ("su atomları"). Maddenin atomistik yapısı fikrinin deneysel olarak doğrulanmasından önce yirmi yüzyıldan fazla zaman geçti. Bu fikir nihayet 19. yüzyılın ikinci yarısında kimya ve moleküler-kinetik teorinin başarıları sayesinde bilimde yerleşti. 20. yüzyılın başlarında, fizikçiler atomların 10-10 m boyutlarında ve 10-27 kg kütleye sahip olduğunu zaten biliyorlardı. Bu zamana kadar, atomların hiç "bölünemez" olmadığı, çözümü Dmitry Ivanovich Mendeleev (1834-1907) tarafından tanımlanan kimyasal elementlerin özelliklerinin periyodikliğini açıklayacak belirli bir iç yapıya sahip oldukları anlaşıldı. .

1903 yılında, elektronun keşfinden kısa bir süre sonra, İngiliz fizikçi Joseph John Thomson (1856-1940), içinde elektronların bulunduğu yaklaşık 10-10 m çapında pozitif yüklü bir küre şeklinde bir atom modeli önerdi. serpiştirilmiş (bkz. Temel parçacıklar). negatif yük dengelenmiş elektronlar pozitif yük küreler. Elektronlar kürenin merkezi etrafında titreştiğinde atom ışık yayar. Thomson, elektronların bir merkez etrafında katmanlar halinde gruplandırıldığına inanıyordu.

Thomson tarafından önerilen modelde, bir atomun kütlesi hacmine eşit olarak dağılmıştır. Bu varsayımın yanlışlığı kısa süre sonra İngiliz fizikçi Ernest Rutherford (1871-1937) tarafından kanıtlandı. 1908-1911'de liderliği altında, a-parçacıklarının (helyum çekirdekleri) metal folyo ile saçılması üzerine deneyler yapıldı ve parçacık, sadece küçük sapmalar yaşayan ince bir folyodan serbestçe geçti; bununla birlikte, bazı nadir durumlarda (yaklaşık 10.000'de bir) a-parçacıklarının 90°'den daha büyük bir açıyla saçılması gözlemlendi.

"Neredeyse inanılmazdı," diye hatırladı Rutherford daha sonra, "sanki bir kağıt mendile 15 inçlik bir mermi fırlatmışsınız ve mermi geri gelip size çarpacaktı."

A parçacıklarının saçılması üzerine yapılan deneyler, ikna edici bir şekilde, atomun neredeyse tüm kütlesinin çok küçük bir hacimde - çapı yaklaşık olarak atom çekirdeğinde - yoğunlaştığını gösterdi.

Bir atomun çapından 10.000 kat daha küçüktür. Çoğu a-parçacığı, büyük çekirdeğin yanından ona dokunmadan uçar, yalnızca ara sıra onunla çarpışır ve geri "seker".

Rutherford'un deneyleri, atomun proton-nötron modelinin yaratılmasının temelini oluşturdu. Bu model, atomun yapısı hakkındaki modern fikirleri belirler.

Yani, atomun merkezinde bir atom çekirdeği vardır (boyutları yaklaşık 10 "14 m'dir); atomun geri kalan hacmi elektronlardır. Çekirdeğin içinde elektron yoktur (bu, 30'ların başında netleşti) ); çekirdek, pozitif yüklü protonlardan oluşur ve nötron yüküne sahip değildir. Bir atomdaki elektronların sayısı, çekirdekteki protonların sayısına eşittir; bu, belirli bir kimyasal elementin atom numarasıdır (seri numarası periyodik sistem). Bir elektronun kütlesi, bir proton veya nötronun kütlesinden yaklaşık 2000 kat daha azdır, bu nedenle bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdekte yoğunlaşmıştır. Farklı elektronlar çekirdeğe değişen derecelerde bağlıdır;

bazıları atomun dönüşmesiyle nispeten kolayca "kaybolur". pozitif iyon. Ek elektronlar alarak atom, negatif bir iyon haline gelir.

Rutherford, atom modelini oluştururken, Coulomb kuvvetlerinin negatif yüklü elektronlar ve pozitif yüklü bir çekirdek arasında hareket ettiğini öne sürdü. Elektronların atomun içinde duramayacakları açıktır, çünkü bu durumda çekirdeğin üzerine düşerler, dolayısıyla Rutherford'un varsayımına göre elektronlar, tıpkı gezegenlerin güneşin etrafında dönmesi gibi, çekirdeğin etrafında hareket eder. Bu nedenle, Rutherford'un atom modeline gezegen denir.

Atomun basit ve görsel bir gezegen modeli doğrudan deneysel bir gerekçeye sahiptir. a-parçacıklarının saçılması deneyini açıklamak için kesinlikle gereklidir. Ancak böyle bir model, mekanik ve elektrodinamik yasalarıyla çelişir. Atomun varlığını, kararlılığını açıklamaya izin vermez. Sonuçta, yörüngelerdeki elektronların hareketi hızlanma ile gerçekleşir ve çok büyüktür. Maxwell'in elektrodinamik yasalarına göre, hızlandırılmış bir yük, saniyede çekirdeğin etrafındaki dönüş sayısına eşit bir frekansta elektromanyetik dalgalar yaymalıdır. Radyasyona enerji kaybı eşlik eder. Enerji kaybederek elektronlar çekirdeğe yaklaşmalıdır, tıpkı bir uydunun üst atmosferde fren yaparken Dünya'ya yaklaşması gibi. Newton'un mekaniğine ve Maxwell'in elektrodinamiğine dayanan tamamen titiz hesaplamalarla gösterildiği gibi, bir elektronun çekirdeğe ihmal edilebilecek kadar kısa bir sürede (yaklaşık 10-8 s) düşmesi ve atomun varlığının sona ermesi gerekir.

Gerçekte, böyle bir şey olmaz. Atomlar kararlıdır ve uyarılmamış bir durumda elektromanyetik dalgalar yaymadan süresiz olarak var olabilir. Bu bizi en önemli sonuca götürür: klasik fizik yasaları atomik ölçek fenomenlerine uygulanamaz.

Son derece zor bir durumdan çıkış yolu, 1913'te atomun yapısını ve emisyon ve absorpsiyon koşullarını belirleyen ünlü kuantum varsayımlarını tanıtan büyük Danimarkalı fizikçi Niels Bohr (1885-1962) tarafından bulundu. Elektromanyetik radyasyon. İşte buradalar:

İlk varsayım: bir atomik sistem yalnızca, her biri belirli bir En enerjisine karşılık gelen özel durağan veya kuantum durumlarında olabilir. Durağan bir durumda, bir atom ışıma yapmaz.

Bu varsayım, hareket eden elektronların enerjisinin herhangi biri olabileceğine göre klasik mekanikle açık bir çelişki içindedir. Elektromanyetik dalgaların radyasyonu olmadan hızlandırılmış hareket olasılığına izin verdiği için Maxwell'in elektrodinamiğiyle de çelişir.

İkinci varsayım: Bir atomun bir durağan durumdan diğerine geçişi sırasında, bir kuantum elektromanyetik enerji yayılır veya emilir.

İkinci varsayım, Maxwell'in, yayılan ışığın frekansının elektronun yörüngesinin frekansına eşit olduğunu söyleyen elektrodinamiğiyle de çelişir. Bohr'un teorisine göre, frekans sadece atomun enerjisindeki değişimle ilişkilidir.

ATOM ÇEKİRDEĞİ

Proton-nötron modeline göre, atom çekirdeği iki tip temel parçacıktan oluşur: protonlar ve nötronlar (ayrıca bkz. Atom).

Proton yükünün pozitif olduğu bilinmektedir ve yüke eşit elektron.

Nötronun elektrik yükü yoktur, kütlesi 1.00867 a.m.u'dur. 1 atomik kütle birimi (a.m.u.), bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sine eşittir ve 1 a.m.u oranı ile kilogram ile ilişkilidir. =1.6605 10-27 kg; 1 ay 931.5 MeV'lik bir enerjiye karşılık gelir).

Çekirdekteki proton sayısı nükleer yük olarak adlandırılır ve çekirdekteki elektron sayısına eşittir. atom kabuğu, atom genellikle nötr olduğundan, çekirdekteki proton sayısı periyodik tablodaki ZB elementinin atom numarasına eşittir.

A çekirdeğinin kütle numarası, çekirdekteki proton sayısı Z ve nötron sayısı N'nin toplamıdır: A=Z+N.

Proton ve nötronun kütleleri birbirine yakın olduğundan kütle numarası A, elementin bağıl atom kütlesine çok yakındır. Kütle numaraları, çok yüksek doğruluğa sahip olmayan aletlerle çekirdek kütlelerinin kabaca ölçülmesiyle belirlenebilir.

Ancak, akraba atom kütleleri bazı öğeler bir tam sayıdan çok farklıdır. Yani bor için 10.81, klor için - 35.45. Neden? Niye? Aynı kimyasal elementin çekirdeklerinin, çekirdekte aynı sayıda proton ve elektron kabuğundaki elektronlarla nötron sayısında farklılık gösterebileceği ortaya çıktı,

Bu çekirdekler aynı Kimyasal özellikler ve periyodik tablonun bir hücresinde bulunur. Bunlar izotoplardır. Kimyasal olarak basit doğal maddeler, izotopların bir karışımıdır. Böylece bor, iki izotopun karışımından oluşur: %20'si bir izotoptur. kütle Numarası 10 (5 proton, 5 nötron) ve %80 - kütle numarası 11 (5 proton ve 6 nötron).

Temel parçacıklar, sahip oldukları parçacıklardır. şu an iç yapı bulunamadı. Geçen yüzyılda bile atomlar temel parçacıklar olarak kabul edildi. İç yapıları - çekirdekler ve elektronlar - 20. yüzyılın başında keşfedildi. E. Rutherford'un deneylerinde. Atomların boyutu yaklaşık 10-8 cm, çekirdekler on binlerce kat daha küçüktür ve elektronların boyutu çok küçüktür. Modern teori ve deneylerden anlaşılacağı gibi 10-16 cm'den küçüktür.

Böylece, şimdi elektron bir temel parçacıktır. Çekirdeklere gelince, keşiflerinden kısa bir süre sonra iç yapıları ortaya çıktı. Nükleonlardan oluşurlar - protonlar ve nötronlar. Çekirdekler oldukça yoğundur: nükleonlar arasındaki ortalama mesafe, kendi boyutlarının yalnızca birkaç katıdır. Nükleonların nelerden oluştuğunu bulmak yaklaşık yarım yüzyıl sürdü, ancak aynı zamanda doğanın diğer gizemleri de ortaya çıktı ve çözüldü.

Nükleonlar, bir elektronla aynı doğrulukta temel olan üç kuarktan oluşur, yani yarıçapları 10-16 cm'den azdır Nükleonların yarıçapı - kuarkların kapladığı alanın boyutu - yaklaşık 10-13 cm'dir. parçacıklar - üç farklı (veya aynı) kuarktan oluşan baryonlar. Kuarklar farklı şekillerde üçlüler oluşturabilir ve bu, bir baryonun özelliklerindeki farklılıkları belirler, örneğin farklı bir dönüşü olabilir.

Ek olarak, kuarklar çiftler halinde birleşebilir - bir kuark ve bir antikuarktan oluşan mezonlar. Mezonların dönüşü tamsayı değerleri alırken, baryonlar için yarı tamsayı değerleri alır. Baryonlar ve mezonlar birlikte hadronlar olarak adlandırılır.

Kuarklar serbest formda bulunmamıştır ve şu anda kabul edilen kavramlara göre sadece hadronlar şeklinde var olabilirler. Kuarkların keşfinden önce, hadronlar bir süre temel parçacıklar olarak kabul edildi (ve bu isim literatürde hala oldukça yaygındır).

Hadronların kompozit yapısının ilk deneysel göstergesi, Stanford (ABD) lineer hızlandırıcısında protonlar tarafından elektronların saçılması üzerine yapılan deneylerdi; bu ancak proton içinde bazı nokta nesnelerinin varlığının varsayılmasıyla açıklanabilirdi.

Bunların, teorisyenler tarafından daha önceleri varsayılmış olan kuarklar olduğu çok geçmeden anlaşıldı.

İşte modern temel parçacıkların bir tablosu. Altı kuark tipine ek olarak (şimdiye kadar deneylerde sadece beşi ortaya çıktı, ancak teorisyenler ayrıca bir altıncı olduğunu öne sürüyorlar), bu tablo leptonları - elektronun da ait olduğu parçacıkları - listeliyor. Bu ailede müon ve (oldukça yakın zamanda) t-lepton da keşfedilmiştir. Her birinin kendi nötrinosu vardır, böylece leptonlar doğal olarak üç çift e, n e; m, n m ;t, n t .

Bu çiftlerin her biri, karşılık gelen kuark çiftiyle birleşerek nesil adı verilen bir dörtlü oluşturur. Tablodan da görüleceği gibi parçacıkların özellikleri nesilden nesile tekrarlanır. Sadece kitleler farklıdır. İkinci nesil birinciden daha ağırdır ve üçüncü nesil ikinciden daha ağırdır.

Doğada, ilk neslin parçacıkları esas olarak bulunur ve geri kalanı yapay olarak yüklü parçacık hızlandırıcılarında veya atmosferdeki kozmik ışınların etkileşimi sırasında oluşturulur.

Toplu olarak maddenin parçacıkları olarak adlandırılan spin 1/2 kuarklara ve leptonlara ek olarak, tablo spin 1'e sahip parçacıkları listeler. Bunlar, madde parçacıkları tarafından yaratılan alanların kuantalarıdır. Bunlardan en bilineni elektromanyetik alanın bir kuantumu olan fotondur.

Sözde ara bozonlar W+ ve W- çok büyük kütlelere sahip olan, son zamanlarda tezgah üzerinde yapılan deneylerde keşfedildi. R-birkaç yüz GeV enerjide kirişler. Bunlar kuarklar ve leptonlar arasındaki zayıf etkileşimlerin taşıyıcılarıdır. Ve son olarak, gluonlar, kuarklar arasındaki güçlü etkileşimlerin taşıyıcılarıdır. Kuarkların kendileri gibi, gluonlar da serbest formda bulunmamışlardır, ancak yaratılış ve hadronların yok edilmesi reaksiyonlarının ara aşamalarında ortaya çıkarlar. Son zamanlarda, gluonlar tarafından üretilen hadron jetleri tespit edildi. Kuarklar ve gluonlar teorisinin tüm öngörüleri -kuantum kromodinamiği- deneyimle uyumlu olduğundan, gluonların varlığı hakkında neredeyse hiç şüphe yoktur.

Spin 2'ye sahip bir parçacık bir gravitondur. Varlığı, Einstein'ın yerçekimi teorisinden, ilkelerinden kaynaklanmaktadır. Kuantum mekaniği ve görelilik teorisi. Madde ile çok zayıf etkileştiği için gravitonu deneysel olarak tespit etmek son derece zor olacaktır.

Son olarak, soru işaretli tablo spin 0 (H-mezonları) ve 3/2 (gravitinolar) olan parçacıkları göstermektedir; deneysel olarak bulunmamışlardır, ancak birçok modern teorik modelde varlıkları varsayılmaktadır.

Temel parçacıklar

döndürmek	0?	1/2				1				3/2	2?
Başlık		maddenin parçacıkları				alan kuantası
		kuarklar		leptonlar		foton	vektör bozonları		gluon	yerçekimi	graviton
sembol	H	sen	d	ne	e	g	Z	W	g
(ağırlık)	(?)	(?)	(0,5)	(0)	(~95 GeV)	(~80 GeV)	(?)	(?)
sembol	İle birlikte	s	n m	m
(ağırlık)	(0?)	(106)
sembol	t	b	n t	t
(ağırlık)	(0?)	(1784)
baryonik	0	1/3	1/3	0	0	0	0	0	0	0	0
Elektrik	0,±1	2/3	1/3	0	-1	0	0	±1	0	0	0
renk	-	3	3	-	-	-	-	-	8	-	-

hadronlar - yaygın isim güçlü etkileşimlere katılan parçacıklar için . Adı, "güçlü, büyük" anlamına gelen Yunanca kelimeden gelir. Tüm hadronlar iki büyük gruba ayrılır - mezonlar ve baryonlar.

baryonlar(Yunanca "ağır" anlamına gelen kelimeden) yarım tamsayılı spinli hadronlardır. . En ünlü baryonlar proton ve nötrondur. . Baryonlar ayrıca, bir zamanlar kuantum sayısı olarak adlandırılan bir dizi parçacık içerir. tuhaflık. Tuhaflık birimine lambda baryon (L°) ve sigma baryon ailesi (S - , S+ ve S°) sahiptir. +, -, 0 indeksleri, parçacığın elektrik yükünün veya nötrlüğünün işaretini gösterir. Baryons xy (X - ve X°) iki birim tuhaflığa sahiptir. Baryon W - üçe eşit bir tuhaflığa sahiptir. Listelenen baryonların kütleleri, protonun kütlesinin yaklaşık bir buçuk katıdır ve karakteristik ömürleri yaklaşık 10 -10 s'dir. Nötron 15 dakikadan fazla yaşarken protonun pratik olarak kararlı olduğunu hatırlayın. Daha ağır baryonların çok kısa ömürlü olduğu görülüyor, ancak mikrokozmos ölçeğinde durum böyle değil. Böyle bir parçacık, örneğin ışık hızının %10'una eşit bir hızla, nispeten yavaş hareket etse bile, birkaç milimetrelik bir mesafe kat etmeyi başarır ve temel parçacıkların detektöründe izini bırakır. Baryonları diğer parçacık türlerinden ayıran özelliklerinden biri, korunmuş bir baryon yükünün varlığı olarak düşünülebilir. Bu değer, baryon ve antibaryon sayısı arasındaki farkın bilinen tüm süreçlerinde sabitliğin deneysel gerçeğini açıklamak için tanıtıldı.

Proton- bir hidrojen atomunun çekirdeği olan hadron sınıfından kararlı bir parçacık. Protonun keşfi olarak hangi olayın düşünülmesi gerektiğini söylemek zor: sonuçta, bir hidrojen iyonu olarak uzun zamandır biliniyor. Atomun gezegensel modelinin E. Rutherford (1911) tarafından yaratılması ve izotopların keşfi (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) ve alfa tarafından nakavt edilen hidrojen çekirdeklerinin gözlemlenmesi nitrojen çekirdeğindeki parçacıklar protonun keşfinde rol oynamıştır (E. Rutherford, 1919). 1925'te P. Blackett, bir bulut odasındaki proton izlerinin ilk fotoğraflarını aldı (bkz. Nükleer radyasyon dedektörleri), elementlerin yapay dönüşümünün keşfini doğruladı. Bu deneylerde, a parçacığı, bir proton yayan ve bir oksijen izotopuna dönüşen bir nitrojen çekirdeği tarafından yakalandı.

Nötronlarla birlikte, protonlar tüm kimyasal elementlerin atom çekirdeğini oluşturur ve çekirdekteki proton sayısı belirli bir elementin atom numarasını belirler. Proton, temel yüke, yani elektron yükünün mutlak değerine eşit bir pozitif elektrik yüküne sahiptir. Bu, 10-21 doğrulukla deneysel olarak doğrulanmıştır. proton kütlesi m p \u003d (938.2796 ± 0.0027) MeV veya ~ 1.6-10 -24 g, yani proton elektrondan 1836 kat daha ağırdır! Modern bakış açısından, proton doğru değil temel parçacık: iki parçadan oluşur sen-elektrik yükü +2/3 olan kuarklar (birim olarak temel ücret) ve bir d-elektrik yükü -1/3 olan kuark. Kuarklar, diğer varsayımsal parçacıkların - gluonların, güçlü etkileşimler taşıyan alanın kuantalarının - değiş tokuşuyla birbirine bağlıdır. Elektronların protonlar tarafından saçılması süreçlerinin ele alındığı deneysel veriler, gerçekten de protonların içinde nokta saçılma merkezlerinin varlığına tanıklık etmektedir. Bu deneyler bir anlamda Rutherford'un atom çekirdeğinin keşfine yol açan deneylerine çok benzer. Bileşik bir parçacık olarak, protonun sonlu boyutu ~ 10 -13 cm'dir, ancak elbette katı bir top olarak temsil edilemez. Aksine, proton, ortaya çıkan ve yok olan sanal parçacıklardan oluşan bulanık bir sınırı olan bir bulutu andırır.

Proton, tüm hadronlar gibi, temel etkileşimlerin her birine katılır. Yani. güçlü etkileşimler çekirdeklerdeki protonları ve nötronları bağlar, elektromanyetik etkileşimler - atomlardaki protonlar ve elektronlar. Zayıf etkileşimlere örnek olarak, bir nötronun beta bozunması veya bir protonun bir pozitron ve bir nötrino emisyonu ile bir nötrona intranükleer dönüşümü verilebilir (serbest bir proton için, böyle bir işlem, korunum ve dönüşüm yasası nedeniyle imkansızdır). enerji, çünkü nötron biraz daha büyük bir kütleye sahiptir). Proton dönüşü 1/2'dir. Yarım tamsayılı spinli hadronlara baryon (Yunanca "ağır" anlamına gelen kelimeden) denir. Baryonlar bir proton, bir nötron, çeşitli hiperonlar (L, S, X, W) ve yeni Kuantum sayılarıçoğu henüz keşfedilmemiş. Baryonları karakterize etmek için özel bir sayı eklenmiştir - baryonlar için 1'e eşit baryon yükü, - antibaryonlar için - 1 - ve diğer tüm parçacıklar için O -. Baryon yükü, baryon alanının bir kaynağı değildir; yalnızca parçacıklarla reaksiyonlarda gözlemlenen düzenlilikleri tanımlamak için tanıtıldı. Bu düzenlilikler, baryon yükü korunum yasası şeklinde ifade edilir: sistemdeki baryon ve antibaryon sayısı arasındaki fark, herhangi bir reaksiyonda korunur. Baryon yükünün korunumu, baryonların en hafifi olduğu için protonun bozunmasını imkansız kılar. Bu yasa, doğası gereği ampiriktir ve elbette deneysel olarak test edilmelidir. Baryon yükünün korunumu yasasının doğruluğu, ömrü için deneysel tahmini en az 1032 yıl olan protonun kararlılığı ile karakterize edilir.

Aynı zamanda, her tür temel etkileşimi birleştiren teorilerde, baryon yükünün ihlaline ve protonun bozulmasına yol açan süreçler tahmin edilir. Bu tür teorilerde bir protonun ömrü çok doğru bir şekilde gösterilmez: yaklaşık 1032 ± 2 yıl. Bu süre çok büyüktür, Evrenin var olduğu zamandan (~2·10 10 yıl) kat kat daha uzundur. Bu nedenle, proton pratik olarak kararlıdır, bu da kimyasal elementlerin oluşumunu ve nihayetinde akıllı yaşamın ortaya çıkmasını mümkün kılmıştır. Bununla birlikte, proton bozunumu arayışı artık deneysel fizikteki en önemli problemlerden biridir. 100 m3 (1 m3 ~ 1030 proton içerir) su hacminde ~ 1032 yıllık bir proton ömrü ile, yılda bir protonun bozunması beklenmelidir. Geriye sadece bu çürümeyi kaydetmek kalıyor. Proton bozunmasının keşfi, doğa güçlerinin birliğinin doğru anlaşılmasına yönelik önemli bir adım olacaktır.

Nötron- hadron sınıfına ait nötr bir parçacık. 1932'de İngiliz fizikçi J. Chadwick tarafından açıldı. Protonlarla birlikte nötronlar da atom çekirdeği. Elektrik şarjı nötron q n sıfıra eşittir. Bu, nötron ışınının güçlü bir şekilde sapmasından gelen yükün doğrudan ölçümleriyle doğrulanır. elektrik alanları, |q n |<10 -20 e(burada e- temel elektrik yükü, yani elektron yükünün mutlak değeri). Dolaylı veri tahmini |q n |< 2*10 -22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относит­ся к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; анти­нейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейт­рон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.

Proton ve diğer hadronlar gibi nötron da gerçek bir temel parçacık değildir. sen-elektrik yükü +2/3 olan kuark ve iki d- Bir gluon alanı ile birbirine bağlı - 1/3 yüklü kuarklar.

Nötronlar sadece kararlı atom çekirdeklerinde kararlıdır. Serbest bir nötron, bir protona (p), bir elektrona (e -) ve bir elektron antinötrinosuna bozunan kararsız bir parçacıktır. Nötron ömrü (917 ± 14) s, yani yaklaşık 15 dakikadır. Nötronlar, çekirdekleri tarafından güçlü absorpsiyon nedeniyle maddede daha az serbest halde bulunurlar. Bu nedenle doğada ortaya çıkarlar veya laboratuvarda sadece nükleer reaksiyonlar sonucunda elde edilirler.

Çeşitli nükleer reaksiyonların enerji dengesine göre, bir nötron ve bir protonun kütleleri arasındaki farkın değeri belirlenir: m n- m p (1.29344 ±0.000007) MeV. Bunu protonun kütlesiyle karşılaştırarak nötronun kütlesini elde ederiz: m n = 939.5731 ± 0.0027 MeV; karşılık gelir m n ~ 1,6-10 -24.

Nötron her türlü temel etkileşime katılır. Güçlü etkileşimler atom çekirdeğindeki nötronları ve protonları bağlar. Zayıf etkileşime bir örnek, bir nötronun beta bozunmasıdır.

Bu nötr parçacık elektromanyetik etkileşimlere katılıyor mu? Nötronun bir iç yapısı vardır ve genel tarafsızlık durumunda, içinde özellikle nötronda manyetik bir momentin ortaya çıkmasına neden olan elektrik akımları vardır. Başka bir deyişle, bir manyetik alanda bir nötron pusula iğnesi gibi davranır. Bu, elektromanyetik etkileşiminin sadece bir örneğidir. Bir üst limit elde edilen nötronun elektrik dipol momentinin araştırılması büyük ilgi gördü. Burada SSCB Bilimler Akademisi Leningrad Nükleer Fizik Enstitüsü bilim adamları en etkili deneyleri yapmayı başardılar; Nötronların dipol momenti aramaları, mikro işlemlerde zamanın tersine çevrilmesine göre değişmezlik ihlali mekanizmalarını anlamak için önemlidir.

Nötronların yerçekimi etkileşimleri, doğrudan Dünya'nın yerçekimi alanındaki insidanslarından gözlemlendi.

Nötronların kinetik enerjilerine göre koşullu bir sınıflandırması artık benimsenmiştir:

yavaş nötronlar (<10 5 эВ, есть много их разновидностей), быстрые нейтроны (10 5 ¸10 8 эВ), высокоэнергичные (>10 8 eV). Çok yavaş nötronlar çok ilginç özelliklere sahiptir.

(10 -7 eV), bunlara ultracold denir. Ultrasoğuk nötronların "manyetik tuzaklarda" birikebileceği ve hatta dönüşlerinin bile belirli bir yöne yönlendirilebileceği ortaya çıktı. Özel bir konfigürasyonun manyetik alanlarının yardımıyla, ultrasoğuk nötronlar, emici duvarlardan izole edilir ve bozunana kadar bir tuzakta "yaşayabilir". Bu, nötronların özelliklerini incelemek için birçok ince deney yapılmasına izin verir. Ultrasoğuk nötronları depolamanın başka bir yöntemi, dalga özelliklerine dayanmaktadır. Bu tür nötronlar basitçe kapalı bir "banka" içinde saklanabilir. Bu fikir 1950'lerin sonlarında Sovyet fizikçi Ya.B. Zel'dovich tarafından ortaya atıldı ve ilk sonuçlar neredeyse on yıl sonra Dubna'da Nükleer Araştırma Enstitüsü'nde elde edildi.

Son zamanlarda bilim adamları, ultra soğuk nötronların doğal bozunmalarına kadar yaşadığı bir gemi inşa etmeyi başardılar.

Serbest nötronlar, atom çekirdeği ile aktif olarak etkileşime girerek nükleer reaksiyonlara neden olabilir. Yavaş nötronların madde ile etkileşimi sonucunda rezonans etkileri, kristallerde kırınım saçılması vb. gözlemlenebilir.Bu özelliklerinden dolayı nötronlar nükleer fizik ve katı hal fiziğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Nükleer enerji mühendisliğinde, uranyumötesi elementlerin ve radyoaktif izotopların üretiminde önemli bir rol oynarlar ve kimyasal analiz ve jeolojik keşiflerde pratik uygulamalar bulurlar.

mezonlar- tamsayı spinli hadronlar İlk keşfedilen mezonların kütleleri, proton ve elektron kütleleri arasında ara değerlere sahip olduğundan, adı "orta, orta" anlamına gelen Yunanca kelimeden gelir. Mezonların baryon yükü sıfıra eşittir. Mezonların en hafifi pionlar veya pi-mezonlardır p - , p + ve p °. Kütleleri bir protonun kütlesinden yaklaşık 6-7 kat daha azdır.Garip mezonlar - kaonlar K + , K - ve K ° daha büyüktür. Kütleleri bir protonun kütlesinden neredeyse iki kat daha azdır. Bu mezonların karakteristik ömrü 10 -8 s'dir.

Hemen hemen tüm hadronların karşıt parçacıkları vardır. Böylece, bir baryon sigma-eksi S-, S+'dan farklı olan bir anti-sigma-artı antiparçacığına S'+ sahiptir. Aynı şey diğer baryonlar için de söylenebilir. Mezonlarda durum biraz farklıdır: Negatif bir pion, pozitif bir pion'un antiparçacığıdır ve nötr bir pion, kendisine bir antiparçacık olduğu için hiç antiparçacığına sahip değildir. Aynı zamanda, nötr kaon K°, bir K'° karşıt parçacığına sahiptir. Bu gerçekler hadronların kuark modelinde açıklanmıştır.

Hadronların dünyası çok büyüktür - 350'den fazla parçacık içerir. Çoğu çok kararsızdır: 10-23 s mertebesinde daha hafif hadronlara bozunurlar. Bu, güçlü etkileşimlerin karakteristik zamanıdır; bu kadar kısa bir aralıkta, ışığın bile sadece bir protonun yarıçapına (10 - 13 cm) eşit bir mesafe kat etme zamanı vardır. Bu tür kısa ömürlü parçacıkların dedektörlerde iz bırakamayacağı açıktır. Genellikle doğumları dolaylı işaretlerle tespit edilir. Örneğin, elektronların ve pozitronların yok edilmesinin sonraki hadronların doğuşuyla reaksiyonunu incelerler. Elektronların ve pozitronların çarpışma enerjisini değiştirerek, enerjinin belirli bir değerinde hadronların veriminin aniden keskin bir şekilde arttığı bulundu. Bu gerçek, bir parçacığın, kütlesi karşılık gelen enerjiye eşit olan (c 2 faktörüne kadar) ara durumda doğduğu gerçeğiyle açıklanabilir. Bu parçacık anında diğer hadronlara bozunur ve görünüşünün tek izi, çarpışma enerjisine karşı hadron üretiminin olasılığının grafiğindeki tepe noktasıdır.

Bu tür kısa ömürlü parçacıklara rezonans denir. Çoğu baryon ve mezon rezonanstır. Kameralarda ve fotoğraflarda "imza" bırakmazlar, ancak fizikçiler özelliklerini incelemeyi başarır: kütle, ömür, dönüş, parite, bozunma yöntemlerini vb. belirleyin.

Modern kavramlara göre hadronlar gerçekten temel parçacıklar değildir. Sonlu boyutlara ve karmaşık bir yapıya sahiptirler. Baryonlar üç kuarktan oluşur. Buna göre, bir antibaryon üç antikuarktan oluşur ve her zaman bir baryondan farklıdır. Mezonlar bir kuark ve bir antikuarktan oluşur. Aynı türden kuark ve antikuark çiftlerini içeren mezonların karşıtparçacıkları olmayacağı açıktır. Kuarklar, gluon alanı tarafından hadronların içinde tutulur. Prensipte teori, daha fazla sayıda kuarktan veya tersine tek bir gluon alanından inşa edilmiş başka hadronların varlığını kabul eder. Son zamanlarda, bu tür varsayımsal parçacıkların olası varlığına dair bazı deneysel veriler ortaya çıktı. Etkileşimlerini tanımlayan dinamik kuark teorisi nispeten yakın zamanda gelişmeye başladı. Başlangıçta, kuark modelinin aşırı sayıda hadron ailesinde "işleri düzene sokmak" için önerildi. Bu model, üç tip kuark veya dedikleri gibi tatlar içeriyordu. Kuarkların yardımıyla sayısız hadron ailesine düzen getirmek, onları multiplet adı verilen parçacık gruplarına dağıtmak mümkün oldu. Aynı çokluya ait parçacıklar, yakın kütlelere sahiptir, ancak yalnızca bu onların sınıflandırılması için temel teşkil etmekle kalmaz; deneysel verilere ek olarak, bu durumda, grup teorisinin özel bir matematiksel aparatı kullanıldı.

Daha sonra, tüm hadronları tanımlamak için üç kuark çeşidinin yeterli olmadığı ortaya çıktı. 1974'te, bir kuark ve yeni bir antikuarktan (cc¢) oluşan sözde psi-mezonlar keşfedildi. Bu koku çekicilik olarak adlandırılmıştır. Yeni büyülenmiş kuark c'nin "kardeşlerinden" çok daha ağır olduğu ortaya çıktı: psi-parçacıklarının en hafifi olan J/y mezonunun kütlesi 3097 MeV'dir, yani bir protondan 3 kat daha ağırdır. Ömrü yaklaşık 10 -20 s'dir. Bütün bir psi-mezon ailesi, aynı kuark kompozisyonu cc¢ ile, ancak uyarılmış hallerde ve sonuç olarak büyük kütlelere sahip olarak keşfedildi.

leptonlar- 1 güçlü etkileşime katılmayan bir grup parçacık (adı Yunanca "leptos" - "ışık" kelimesinden gelir).

Tüm leptonlar 1/2 spinlidir. Yüklü leptonları - elektron e -, müon m - , ağır lepton t - ve karşılık gelen antiparçacıkları e + , m + ve t + ve nötr - çeşitli nötrinoları ayırt edin.

İlk yüklü lepton elektron tarafından keşfedildi - 1897'de İngiliz bilim adamı J. J. Thomson tarafından. Karşı parçacığı, pozitron, 1932'de Amerikalı fizikçi K. Anderson tarafından kozmik ışınlarda bulundu. 1936'da kozmik ışınların emisyonunda da müonlar keşfedildi (K. Anderson ve S. Neddermeyer). İlk başta, küçük bir kafa karışıklığı vardı: Japon fizikçi X. Yukawa'nın teorisine göre, güçlü etkileşimler taşıyan bir parçacıkla müonları tanımlamaya çalıştılar. Ancak kısa süre sonra müonun güçlü etkileşimlerle hiçbir ilgisi olmadığı anlaşıldı (Yukawa tarafından tahmin edilen parçacıkların 1947'de keşfedilen n-mezonlar olduğu ortaya çıktı) Ve sonra müonun gizemi ortaya çıktı. Gerçek şu ki, müon şaşırtıcı bir şekilde elektrona benzer: ikisi de aynı elektrik yüküne, dönüşe sahiptirler.

sadece zayıf ve elektromanyetik etkileşimlere ve benzer şekilde katılırlar. Tek görünür farkları kütlelerinde yatmaktadır: müon elektrondan 206,8 kat daha ağırdır (kütlesinin mevcut değeri m = 105.65943 MeV/c 2 @ 1.88-10 –25 g'dır).

Daha büyük kütle nedeniyle, müon stabilitesini kaybetti, ömrü @2.2 10 -6 s'dir.

Elektron kararlıdır çünkü bozunacak hiçbir şeyi yoktur. Gerçekten de, elektrik yükünün korunumu nedeniyle, bir elektronun bozunması ancak daha hafif yüklü parçacıkların yayılmasıyla mümkün olabilir, ancak bu tür parçacıkların varlığı hala bilinmemektedir. Yükün korunumu yasası tamamen doğru bir doğa yasası olmasaydı, elektron örneğin bir nötrino ve bir fotona bozunabilirdi. Bununla birlikte, bu tür bozunmaların araştırılması başarılı olmadı ve bir elektronun ömrünün en az 1022 yıldan fazla olduğunu gösterdi (karşılaştırma için: Evrenimiz "sadece" yaklaşık 2 10-10 yıldır). Bu nedenle, modern teorilerde elektron kararlı bir parçacık olarak kabul edilir. Bununla birlikte, protonun ömrü için deneysel sınırların daha da etkileyici göründüğüne (en az 1032 yıl) dikkat edin, ancak bozunabileceği teoriler son zamanlarda çok popüler hale geldi.

Müonun bozunmasıyla durum daha basittir, bozunabilir ve aslında bir elektrona ve farklı tipte bir çift nötrinoya bozunur: m - ® e - + n e `+ n m . Bu bozulmadan zayıf etkileşimler sorumludur. Muon ömrünün deneysel değeri, teorik hesaplamalarla iyi bir uyum içindedir. Elbette pozitif yüklü bir müonun bozunması da benzer şekilde gerçekleşir:

m + ®e + + n e +n m `.

Muon bilmecesini çözmeye vakit bulamadan fizikçiler üçüncü yüklü lepton t'yi (tau - lepton) keşfettiler. 1975 yılında Stanford'da (ABD) bir elektron ve çok yüksek enerjili bir pozitronun yok edilmesi sırasında M. Pearl liderliğindeki bir grup fizikçi tarafından elektron-pozitron ışınlarının çarpışması üzerine yapılan deneylerde keşfedildi. Ağır tau leptonunun kütlesi bir elektronunkinin yaklaşık 3500 katıdır ( m e ~1784 MeV/s 2). Hatta bir protondan neredeyse 2 kat daha ağırdır. Bir t-leptonun ömrü, sadece 1981 - 3.4 10 - 13 s'de yeterli doğrulukla ölçülmüştür. Böyle bir ömür, t-leptonların zayıf etkileşimlerinin elektronların ve müonların zayıf etkileşimlerine çok benzer olduğunu gösterir (parçacık ne kadar ağırsa, diğer özdeş koşullar altında o kadar hızlı, daha hafif olanlara bozunduğu akılda tutulmalıdır. Mevcut veriler, t-leptonun elektron ve müon gibi olduğunu ve bunun dışında olduğunu göstermektedir.

Yüklü leptonlar bir özellik daha tarafından birleştirilir: Modern teorilerde hepsi, hadronların aksine, bir iç yapıya sahip olmayan nokta nesneler olarak temsil edilir. En güçlü hızlandırıcılar üzerinde, şu anda ulaşılabilir maksimum enerjilerde yapılan deneyler, bunun en azından 10 - 16 cm mesafelere kadar doğru olduğunu göstermektedir.

Bilim adamları, leptonları içeren reaksiyonları gözlemleyerek, lepton ve antilepton sayısı arasındaki farkın her zaman sabit kaldığını bulmuşlardır. Bu özelliği tanımlamak için özel bir kuantum numarası tanıtıldı - lepton yükü L, koşullu olarak değer atama L= 1 negatif yüklü lepton ve bunlara eşlik eden nötrinolar ve değeri L.= -1 - onların antiparçacıklarına. Daha sonra bu fenomen, lepton yükünün korunumu yasasına indirgenir. Daha sonra elektron ve müon nötrinolarının birbirinin aynısı olmadığı ve farklı, bağımsız olarak korunan lepton yüklerinin tanıtılması gerektiği anlaşıldı. Görünüşe göre, ağır lepton ve onun nötrinosu ile ilişkili üçüncü bir tür lepton yükü vardır.

Şimdiye kadar, lepton yükünün korunumu yasasının ihlal edildiğine dair hiçbir vaka gözlemlenmedi. Diyelim ki, bu yasa nötrinosuz müon bozunmasını yasaklıyor. Yasaklı ve olağan müon bozunma olasılıklarının oranı deneylerde tahmin edilmiş ve 10 -9 -10 -10'dan küçük olduğu ortaya çıkmıştır . Lepton yükünün korunumsuzluğunu tespit etme olasılığı göz ardı edilmediğinden, yasaklı bozunmaların araştırılması büyük ilgi görmektedir. Lepton yükünün bir tür "lepton" alanının kaynağı olmadığı, yalnızca leptonları içeren deneysel olarak gözlemlenen reaksiyon yasalarını açıklamak için tanıtıldığı vurgulanmalıdır.

Doğa güçlerinin birliği kavramına dayanan son zamanlarda ortaya çıkan teoriler, protonun kararsızlığını ve aynı zamanda lepton yükünün korunumunun ihlalini öngörmektedir. Benzer özelliklere ve çok farklı kütlelere sahip farklı lepton türlerinin varlığının nedeni nedir? Lepton yüklerinin doğası nedir? Ve hala bizim için bilinmeyen başka leptonlar var mı? Bu sorular şu anda cevapsız. Çözümleri sadece leptonlarla değil, aynı zamanda güçlü bir şekilde etkileşime giren parçacıklar dünyasının ana yapısal unsurları olan diğer gerçekten temel parçacıklar-kuarklarla da bağlantılıdır. Kuarklar kütle olarak büyük farklılıklar gösterir ve kendilerine özgü "yükleri" vardır. Kuark çiftleri, lepton çiftleriyle (yüklü bir lepton ve karşılık gelen nötrino) bir araya gelerek sözde temel parçacık nesilleri oluşturur. Parçacıkların birçok özelliği nesilden nesile tekrarlanır ve nesillerin kütleleri büyük ölçüde farklılık gösterir: ikinci nesil (müonları içerir) birinci nesilden (elektronlu) daha ağırdır ve üçüncü nesil (t-leptonlar dahil) daha ağırdır. ikinci. Bu nesillerin gizemlerinin çoğuna ilişkin araştırmalar daha yeni başlıyor.

Elektron doğada bilinen en küçük kütlenin ve en küçük elektrik yükünün taşıyıcısı olan negatif yüklü bir temel parçacıktır. 1897'de İngiliz bilim adamı J. J. Thomson.

Bir elektron bir atomun bir bileşenidir, nötr bir atomdaki elektron sayısı atom numarasına eşittir, yani. çekirdekteki proton sayısı.

Elektron yükünün ilk doğru ölçümleri 1909-1913'te yapıldı. Amerikalı fizikçi R. Milliken. Temel yükün mutlak değerinin modern değeri,

e =(4.803242±0.000014)*10 -10 veya yaklaşık 1.6*10 -19 C. bu yükün gerçekten "temel" olduğuna, yani parçalara bölünemeyeceğine ve herhangi bir nesnenin yüklerinin tam sayı katları olduğuna inanılmaktadır. Planck sabiti H ve ışık hızı c ile birlikte, temel yük boyutsuz bir sabit a = e 2 / hc ~ 1/ 137 oluşturur. İnce yapı sabiti a, kuantum elektrodinamiğinin en önemli parametrelerinden biridir, elektromanyetik etkileşimlerin yoğunluğu. Bir elektronun kütlesi m e \u003d (9.109534 ± 0.000047) * 10 -28 g (enerji birimlerinde ~ 0.5 MeV / s 2). Enerjinin ve elektrik yükünün korunumu yasaları geçerliyse, elektronun herhangi bir bozunması yasaktır. Bu nedenle elektron kararlıdır; deneysel olarak, ömrünün 1022 yıldan az olmadığı elde edildi.

1925'te Amerikalı fizikçiler S. Goudsmit ve J. Uhlenbeck, atomik spektrumların özelliklerini açıklamak için bir elektron spininin (s) iç açısal momentumunu tanıttı. Bir elektronun dönüşü, Planck sabitinin yarısıdır (H - 1.055*10 -34 J/s), ancak fizikçiler genellikle bir elektronun dönüşünün 1/2:5 = 1/2 olduğunu söylerler. Bir elektronun dönüşü, kendi manyetik momenti ile ilişkilidir. Elektronun manyetik momenti tam olarak bir Bohr magnetonuna eşit olmak zorundaydı.

Ancak 1947'de yapılan deneylerde manyetik momentin Bohr manyetonundan yaklaşık %0,1 daha büyük olduğu bulundu. Bu gerçeğin açıklaması kuantum elektrodinamiğindeki vakum polarizasyonu dikkate alınarak yapılmıştır. Çok zahmetli hesaplamalar teorik değeri g e = 2*(1.001159652460 ± 0.000000000148) verdi, bu deneysel verilerle karşılaştırılabilir: bir elektron için g e = 2-(1.001159652200 ± 0.000000000040) ve bir pozitron g e = 2 (1, (10 1159652222 ±) 0.000000000050).Değerler on iki ondalık basamağa kadar bir doğrulukla hesaplanır ve ölçülür ve deneysel çalışmanın doğruluğu daha yüksektir

"Teorik hesaplamaların doğruluğu. Bunlar parçacık fiziğindeki en doğru ölçümlerdir.

Kuantum mekaniğinin denklemlerine uyan atomlardaki elektronların hareketinin özellikleri, maddelerin optik, elektriksel, manyetik, kimyasal ve mekanik özelliklerini belirler.

Elektronlar elektromanyetik, zayıf ve yerçekimi etkileşimlerine katılır.

Elektronların zayıf etkileşimleri, örneğin, atomik spektrumlardaki korunumsuz süreçlerde veya elektronlar ve nötrinolar arasındaki reaksiyonlarda kendini gösterir.

Elektronun iç yapısı hakkında veri yoktur. Modern teoriler, nokta parçacıklar olarak lepton kavramından yola çıkar. Şu anda, bu, 10-16 cm mesafelere kadar deneysel olarak doğrulanmıştır.Yeni veriler, yalnızca gelecekteki hızlandırıcılarda parçacık çarpışma enerjisindeki bir artışla ortaya çıkabilir.

serbest parçacık- dış alanların yokluğunda hareket eden bir parçacık. Serbest bir parçacık olduğundan (eksen boyunca hareket etmesine izin verin) X) kuvvetler etki etmez, o zaman parçacığın potansiyel enerjisi sen(x) = const ve sıfıra eşit alınabilir. O zaman parçacığın toplam enerjisi kinetik enerjisiyle çakışır. Bu durumda, durağan durumlar için Schrödinger denklemi şu şekli alır: Doğrudan ikame ile, denklemin belirli bir çözümünün fonksiyon olduğu doğrulanabilir.  (X) = ae ikx, nerede ANCAK= sabit ve k = const, enerji özdeğeri ile Fonksiyon, dalga fonksiyonunun sadece koordinat kısmıdır ( x, t). enerjinin momentuma bağımlılığının göreceli olmayan parçacıklar için olağan olduğu ortaya çıktı. Sonuç olarak, serbest bir parçacığın enerjisi herhangi bir değer alabilir (dalga sayısı k herhangi bir pozitif değer alabilir), yani enerji spektrumu süreklidir. Böylece, serbest bir kuantum parçacığı, bir düzlem monokromatik de Broglie dalgası ile tanımlanır. Bu, uzayda belirli bir noktada bir parçacığın tespit edilmesinin zamandan bağımsız olasılık yoğunluğuna karşılık gelir. yani, bir serbest parçacığın uzaydaki tüm konumları eşit derecede olasıdır. Potansiyel bir kutudaki elektron Potansiyel bir "kutu" içindeki bir elektronun hareketine bir örnek, bir metal içindeki kolektifleştirilmiş elektronların hareketidir. Potansiyel bir alanda hareket eden bir elektrona denklemi uygulayalım. Schrödingerşeklinde ve dikkate alın, : ortaya çıkıyor Başka bir deyişle, "kutu"nun dışında bir elektron bulma olasılığı sıfırdır. Sonsuz yüksek duvarlara sahip bir dikdörtgen potansiyel “kutuda” elektron hareketi sorunu, denklemi çözmeye indirgenir. Diğer anlamlar W elektron enerjileri imkansızdır: “kutu” içinde farklı bir enerjiye sahip bir elektron bulma olasılığı W n, sıfıra eşittir. Yalnızca belirli ayrık değerler alan fiziksel niceliklere denir. nicelenmiş. nicelenmiş değerler W n aranan enerji seviyeleri, ve sayılar n elektronun enerji seviyelerini belirleyen, - Kuantum sayıları. Böylece potansiyel bir “kutu” içindeki bir elektron belirli bir enerji seviyesinde olabilir. W n. Bu durumda, belirli bir kuantum durumundadır. n. Bu durumda enerji seviyeleri o kadar yakın aralıklıdır ki, dikkate alınabilirler. yarı-sürekli. Böyle bir potansiyel "kutu" için, enerji kuantizasyonu, klasik fiziğin sonuçlarından atomik boyutlu bir "kutu" durumunda olduğu kadar önemli ölçüde farklı olmayan sonuçlar verir. Hesaplamalar, kuantum sayısında bir artış olduğunu gösteriyor n karşılaştırıldığında değer küçük olur W n, yani enerji seviyelerinin göreceli bir yakınsaması vardır. Büyük kuantum sayıları için n enerji kuantizasyonu, klasik tedaviye yakın sonuçlar verir. Bu önemli bir ifade uygunluk ilkesi, en tam olarak formüle edilmiş borom 1923'te: büyük kuantum sayıları için, kuantum mekaniğinin sonuçları ve sonuçları klasik sonuçlara karşılık gelmelidir. 82) Rutherford'un nükleer modeli. Bohr'un varsayımları Bir kurşun kap içine yerleştirilmiş radyoaktif bir kaynaktan, α-parçacıkları ince bir metal folyoya yönlendirildi. Saçılan parçacıklar, hızlı yüklü parçacıkların etkisi altında parlayabilen bir çinko sülfür kristalleri tabakasıyla kaplı bir ekrana çarptı. Ekrandaki sintilasyonlar (yanıp sönmeler) mikroskop kullanılarak gözle gözlemlendi. Rutherford'un deneyinde saçılan α-parçacıklarının gözlemleri, ışının başlangıç ​​yönüne φ çeşitli açılarda gerçekleştirilebilir. Alfa parçacıklarının çoğunun, çok az sapma ile veya hiç sapma olmadan ince bir metal tabakasından geçtiği bulundu. Ancak parçacıkların küçük bir kısmı 30°'yi aşan önemli açılarda sapar. Çok nadir alfa parçacıkları (yaklaşık on binde bir) 180°'ye yakın açılardan sapmıştı. Böylece, Rutherford ve meslektaşlarının deneyleri, atomun merkezinde, çapı 10–14–10–15 m'yi geçmeyen, yoğun, pozitif yüklü bir çekirdek olduğu sonucuna yol açmıştır. Atomun toplam hacminin 12'sini oluşturur, ancak tüm pozitif yükü içerir ve kütlesinin %99,95'inden az değildir. Bir atomun çekirdeğini oluşturan maddeye c ≈ 10 15 g/cm3 mertebesinde devasa bir yoğunluk atanmış olmalıdır. Çekirdeğin yükü, atomu oluşturan tüm elektronların toplam yüküne eşit olmalıdır. Daha sonra, elektronun yükü birlik olarak alınırsa, çekirdeğin yükünün bu elementin periyodik tablodaki sayısına tam olarak eşit olduğu bulundu. Rutherford önerdi atomun gezegensel modeli. Bu modele göre, atomun neredeyse tüm kütlesinin yoğunlaştığı atomun merkezinde pozitif yüklü bir çekirdek bulunur. Atom bir bütün olarak nötrdür. Elektronlar, çekirdekten gelen Coulomb kuvvetlerinin etkisi altında, gezegenler gibi çekirdeğin etrafında dönerler (Şekil 6.1.4). Elektronlar çekirdeğe düşecekleri için durağan olamazlar. Bohr'un postülaları Bohr'un postülaları, hidrojen atomunun ve hidrojen benzeri iyonların (Balmer-Rydberg formülü) çizgi spektrumunun düzenliliklerini ve ışığın emisyonu ve absorpsiyonunun kuantum doğasını açıklamak için 1913'te Niels Bohr tarafından formüle edilen temel varsayımlardır. Bohr, Rutherford'un gezegensel atom modelinden yola çıktı. Postülalar: 10 Bir atom yalnızca, her biri belirli bir enerjiye karşılık gelen özel durağan veya kuantum durumunda olabilir. Durağan bir durumda, bir atom elektromanyetik dalgalar yaymaz. 2) Bir atomdaki bir elektron, enerji kaybetmeden, açısal momentumun nicelleştirildiği belirli ayrık dairesel yörüngeler boyunca hareket eder: burada doğal sayılardır ve Planck sabitidir. Bir elektronun yörüngede kalması, bu durağan durumların enerjisini belirler. 3) Bir elektron bir yörüngeden (enerji seviyesi) bir yörüngeye hareket ettiğinde, geçişin yapıldığı enerji seviyeleri arasında bir enerji kuantumu yayılır veya emilir. Üst seviyeden alt seviyeye geçerken enerji yayılır ve alt seviyeden üst seviyeye geçerken emilir. Bu varsayımları ve klasik mekaniğin yasalarını kullanarak Bohr, şimdi Bohr atom modeli olarak adlandırılan bir atom modeli önerdi. Daha sonra Sommerfeld, Bohr'un teorisini eliptik yörüngeler örneğine genişletti. Bohr-Sommerfeld modeli olarak adlandırılır. 83) Kuantum sayıları. Pauli prensibi. Maksimum elektron sayısı Kuantum sayıları - elektronun durumunu ve içinde bulunduğu atomik yörüngenin türünü belirleyen enerji parametreleri. Pauli prensibi (dışlama ilkesi) - iki veya daha fazla özdeş fermiyonun (yarım tamsayı dönüşlü parçacıklar) aynı anda aynı kuantum durumunda olamayacağına göre kuantum mekaniğinin temel ilkelerinden biri. Pauli ilkesi, çeşitli fiziksel fenomenleri açıklamaya yardımcı olur. İlkenin sonucu, atomun yapısında çeşitli kimyasal elementler ve bunların bileşiklerini ifade eden elektron kabuklarının varlığıdır. Tek bir atomdaki elektron sayısı proton sayısına eşittir. Elektronlar fermiyon olduğundan, Pauli ilkesi onların aynı kuantum durumlarını almalarını yasaklar. Sonuç olarak, tüm elektronlar en düşük enerjili (uyarılmamış bir atom için) aynı kuantum durumunda olamazlar, ancak kuantum durumlarını sırayla en düşük toplam enerjiyle doldururlar (aynı zamanda, elektronların ayırt edilemez olduğunu unutmayın, ve verilen elektronun hangi kuantum durumunda olduğunu söylemek imkansızdır). Bir örnek, iki elektronun 1S orbitalinde (enerji bakımından en düşük) olduğu, ancak kendi momentumlarının farklı olduğu ve üçüncü elektronun 1S orbitalini işgal edemeyeceği, çünkü Pauli yasağı ihlal edileceğinden, uyarılmamış lityum atomudur (Li). Bu nedenle, üçüncü elektron 2S yörüngesini işgal eder (1S'den sonraki en düşük enerjili yörünge). Maksimum elektron sayısı

84) Katıların bölge teorisi. Metallerin, dielektriklerin ve yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği. Katıların bölge teorisi - katı bir cisimdeki elektronların hareketinin kuantum mekanik teorisi. Kuantum mekaniğine göre, serbest elektronlar herhangi bir enerjiye sahip olabilir - enerji spektrumları süreklidir. İzole atomlara ait elektronların belirli ayrık enerji değerleri vardır. Katı bir cisimde, elektronların enerji spektrumu önemli ölçüde farklıdır; yasak enerji bantlarıyla ayrılmış ayrı izin verilen enerji bantlarından oluşur. Bant Teorisinin Fiziksel Temelleri Bohr'un postülalarına göre, izole bir atomda, bir elektronun enerjisi kesinlikle ayrık değerler alabilir (elektronun yörüngelerden birinde olduğu da söylenir). Birkaç atomun kimyasal bir bağla birleşmesi durumunda (örneğin bir molekülde), elektron orbitalleri atom sayısıyla orantılı bir miktarda bölünerek moleküler orbitalleri oluşturur. Sistemde makroskopik bir kristale (atom sayısı 10 20'den fazladır) daha fazla bir artışla, orbital sayısı çok artar ve komşu orbitallerde bulunan elektronların enerji farkı buna bağlı olarak çok küçüktür, enerji seviyeleri neredeyse sürekli ayrık kümelere bölünürler - enerji bantları. 0 K sıcaklıkta tüm enerji durumlarının elektronlar tarafından işgal edildiği yarı iletkenler ve dielektriklerde izin verilen enerji bantlarının en yükseğine değerlik bandı ve ardından iletim bandı denir. Metallerde, iletkenlik bandı, elektronların 0 K sıcaklıkta bulunduğu izin verilen en yüksek banttır. Bant teorisi, aşağıdaki ana yaklaşımlara dayanmaktadır: 1. Bir katı, mükemmel bir periyodik kristaldir. 2. Kristal kafes düğümlerinin denge konumları sabittir, yani atom çekirdekleri hareketsiz olarak kabul edilir (adyabatik yaklaşım). Fononlar olarak tanımlanabilen, denge konumları etrafındaki atomların küçük titreşimleri, daha sonra elektronik enerji spektrumunun bir bozulması olarak tanıtılır. 3. Çok elektronlu problem tek elektronlu probleme indirgenir: tüm diğerlerinin belirli bir elektron üzerindeki etkisi, ortalama bir periyodik alan ile tanımlanır. Ferromanyetizma, süperiletkenlik ve eksitonların rol oynadığı gibi esasen çok elektronlu olan bir dizi fenomen, bant teorisi çerçevesinde tutarlı bir şekilde düşünülemez. Aynı zamanda, katılar teorisinin inşasına daha genel bir yaklaşımla, bant teorisinin birçok sonucunun ilk varsayımlarından daha geniş olduğu ortaya çıktı. Bant yapısını hesaplama yöntemleri Tek elektronlu yaklaşımda bir kristaldeki elektronların enerji spektrumu Schrödinger denklemi ile tanımlanır: , kristalin periyodik potansiyeli nerede. Metallerin, yarı iletkenlerin ve dielektriklerin elektriksel iletkenliği. Metallerde ve yarı iletkenlerde akım elektronlar tarafından, dielektriklerde elektronlar ve iyonlar tarafından taşınır. Bir elektrik alanının yokluğunda, elektronlar rasgele hareket eder ve bir yönde ve zıt yönde hareket eden çok sayıda elektron bulunur. Bu nedenle kaotik hareket, yük (akım) aktarımı oluşturmaz. Bir elektrik alanı uygulanırsa, alan kuvveti vektörüne karşı yönde, zıt yöne göre daha fazla elektron hareket eder, yani. bir elektrik akımı belirir. Bu durumda, elektronların hareketi, sürüklenme hızı vdr olarak adlandırılan nispeten küçük bir ortalama hız ile E vektörüne karşı kaotik hareket ve düzenli hareketin toplamı olarak temsil edilebilir. İletim elektronları adı verilen akımın neredeyse serbest elektronlar tarafından oluşturulduğu metallerde, akım yoğunluğu bunların konsantrasyonu n ve sürüklenme hızı vdr ile orantılıdır.Bir elektrik alanında hızlandırılmış hareket eden elektron, alan boyunca ek bir hız kazanır ve bu hız sonraki çarpışma sonucunda kaybeder. Yarı iletkenlerde iletken elektronlar ve delikler akım oluşturur. Delik, elektron yük modülüne eşit bir pozitif yüke sahip bir yarı parçacıktır. Bir delik, bir elektronun çıkarıldığı kristal kafes içindeki bir yerdir. Bu yer en yakın elektronlardan biri tarafından işgal edildiğinde, delik bu yerde kaybolur, ancak yakındaki başka bir yerde ortaya çıkar. Serbest elektronların hareketinden farklı olan birçok elektronun bu hareketi, elektronların hareketine zıt yönde hareket eden bir deliğin hareketi olarak rahatlıkla tanımlanabilir. 5 Bir metalin (6) iletkenliğinden farklı olarak, bir yarı iletkenin iletkenliği, iki tür iletkenliğin toplamına eşittir - elektronik (n-tipi) ve delik (p-tipi): Metallerin farklı sıcaklıklardaki yüksek iletkenliği, atomların konsantrasyonu ile karşılaştırılabilir ve sıcaklıktan bağımsız yüksek iletim elektronları konsantrasyonu nedeniyle. Metallerin aksine, yarı iletkenlerdeki taşıyıcı konsantrasyonu, ısıtma üzerine hızla artar ve iletkenlikte güçlü bir artışa yol açar. Bu durumda hareketlilikte hafif bir azalma ters etkiye yol açar, ısıtma ile iletkenliğin artmasını engelleyemez.Dielektriklerde ve yarı iletkenlerde bant yapısı belli bir genişlikte bant aralığı olacak şekildedir. Bu durumda, yarı iletkenlerde bant genişliği yaklaşık olarak bir elektron volttan 3 elektron volta kadardır; dielektriklerde bant genişliği yaklaşık olarak 3 elektron volttan 10 elektron volta kadardır. Bu maddelerde elektriksel iletkenliğin oluşabilmesi için yüklerin elektronların kapladığı değerlik bandından iletkenlik bandına yani her serbest yük, yalnızca bant aralığından daha az olmayan bir enerji verilirse görünecektir. Çok güçlü olmayan elektrik alanlarının etkisi altında, yükler, her şeyden önce, ana maddenin veya safsızlıkların moleküllerinin termal iyonlaşmasıyla veya elektrotlardan görünüm nedeniyle ortaya çıkar. İkinci yöntem, yük taşıyıcıların emisyonu olarak adlandırılır. 85) Atom çekirdeğinin yükü, kütlesi ve boyutu. Çekirdek kompozisyon. Nükleonlar. nükleer formül. Atom çekirdeğinin yükü, kütlesi ve boyutuÇekirdek, bir atomun merkezi kısmıdır, bir atomun neredeyse tüm kütlesinin ve pozitif yükünün yoğunlaştığı yer.Çekirdeklerin Boyutları Atom çekirdeğindeki yük ve kütle dağılımı, alfa parçacıklarının (tarihsel olarak Rutherford'un ilk deneyleri), elektronların ve protonların çekirdekler üzerindeki elastik saçılması üzerine yapılan deneylerde incelenir. Hem yük dağılım yoğunluğunun hem de çekirdek kütle dağılım yoğunluğunun yaklaşık olarak Fermi dağılımı ile ifade edildiği ortaya çıktı:

çekirdek şarj eşittir Z, nerede e protonun yüküdür, Z– şarj numarası eşittir seri numarası Mendeleev'in periyodik element sistemindeki kimyasal element, yani. çekirdekteki proton sayısı. Çekirdekteki nötron sayısı belirtilir N. Genellikle Z > N.

AT atom çekirdeğinin bileşimi temel parçacıkları içerir : protonlar ve nötronlar (nükleonlar Latince kelimeden çekirdek - çekirdek). Çekirdeğin böyle bir proton-nötron modeli, 1932 D.D.'de Sovyet fizikçisi tarafından önerildi. Ivanenko. Proton pozitif yüke e + = 1,06 10 -19 C ve durgun kütleye sahiptir. m p\u003d 1.673 10 -27 kg \u003d 1836 ben. nötron ( n) durgun kütlesi olan nötr bir parçacıktır mn= 1.675 10 -27 kg = 1839 ben(elektronun kütlesi nerede ben, 0,91 10 -31 kg'a eşittir). Şek. 9.1, XX sonları - XXI yüzyılın başlarındaki fikirlere göre helyum atomunun yapısını gösterir.

Çekirdekteki nükleon sayısı A = Z + N aranan kütle Numarası . aynı olan çekirdekler Z, ama farklı ANCAK aranan izotoplar. Çekirdekler, aynı zamanda A farklı var Z, arandı izobarlar.

86 ) Çekirdeğin bağlanma enerjisi. kitle kusuru. İyonlaşma potansiyeli.

Çekirdek bağlama enerjisi

Çekirdeğin bağlanma enerjisi, çekirdeğin tek tek parçacıklara tamamen bölünmesi için harcanması gereken minimum enerjiye eşittir. Enerjinin korunumu yasasından, bağlanma enerjisinin, tek tek parçacıklardan bir çekirdeğin oluşumu sırasında salınan enerjiye eşit olduğu sonucu çıkar.

Herhangi bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, kütlesini doğru bir şekilde ölçerek belirlenebilir. Şu anda fizikçiler parçacıkların - elektronlar, protonlar, nötronlar, çekirdekler vb. - kütlelerini çok yüksek doğrulukla ölçmeyi öğrendiler. Bu ölçümler gösteriyor ki herhangi bir çekirdeğin kütlesi M i her zaman kendisini oluşturan proton ve nötronların kütlelerinin toplamından küçüktür.:

M ben< Zm p+ Nm n.

kütle farkı

Bu enerji, çekirdeğin oluşumu sırasında γ-kuanta radyasyonu şeklinde salınır.

Bir atomun iyonlaşma potansiyeli- minimum potansiyel fark sen atomu iyonize etmek için yeterli kinetik enerjiyi elde etmek için bir elektronun hızlanan bir elektrik alanında geçmesi gerekir.

iyonlaşma potansiyeli sen iyonlaşma enerjisi ile yakından ilişkilidir:

E=Ue,nerede e-temel elektrik yükü.

Bir atomun iyonlaşma enerjisi parçacığın içsel bir özelliğidir ve iyonizasyon yöntemine bağlı değildir, iyonlaşma potansiyelinin ise tarihsel olarak ilk iyonizasyon yönteminin bir özelliği olduğu söylenebilir.

87 ) Radyoaktif radyasyon. Nükleer bozunma türleri. Radyoaktif bozunma yasası. Özellikleri.

Şu anda altında radyoaktivite Bazı atom çekirdeklerinin, çeşitli radyoaktif radyasyon ve temel parçacıkların emisyonu ile kendiliğinden (kendiliğinden) diğer çekirdeğe dönüşme yeteneğini anlar. Radyoaktivite ikiye ayrılır doğal(doğada bulunan kararsız izotoplarda gözlenir) ve yapay(nükleer reaksiyonlar yoluyla elde edilen izotoplarda gözlenir). Bu iki radyoaktivite türü arasında temel bir fark yoktur, çünkü radyoaktif dönüşüm yasaları her iki durumda da aynıdır.

Üç tür radyoaktif radyasyon vardır:  -, - ve  -radyasyon.

Tarımsal radyobiyolojinin çalışma konuları ve görevleri. Radyobiyolojinin gelişim tarihi.

temel görev Radyobiyolojinin konusu olan radyasyon faktörünün hijyenik düzenlenmesinin bilimsel temeli olan iyonlaştırıcı radyasyonun etkilerine verilen biyolojik tepkinin genel kalıplarının keşfi ve vücudun radyasyon reaksiyonlarını kontrol etme sanatında ustalaşmadır.
Radyobiyolojinin gelişimi üç aşamaya ayrılır:

1. Aşama Radyobiyolojinin gelişimi, bilim adamlarının daha önce açıklanan etkileri açıklamaya çalıştığında, tanımlayıcı nitelikteki çalışmalarla karakterize edilir.

Radyumun cilt üzerindeki etkisine dikkat çeken ilk bilim adamları Almanlar G. Walchow ve Gisel'dir.

Başlıca keşifler şunlardır:

1. İyonlaştırıcı radyasyon etkisi altında hücre bölünmesinin inhibe edildiğinin keşfi.

2. Bergagnier-Tribondo yasası (1903-1906): bir hücre ne kadar radyo-duyarlıysa, çoğalma (bölme) yeteneği o kadar fazladır ve morfolojileri ve işlevleri o kadar az açık bir şekilde ifade edilir, yani. daha az farklılaşmışlardır.

2. aşama Radyobiyolojinin gelişimi "doz etkisi" teorisinin gelişimi ile ilişkilidir. Bir yandan radyasyon dozu arttıkça zarar verici etkinin arttığı tespit edildi.

1922'de önemli bir keşif, hassas bir hacimdeki iyonlaşma olaylarının teorisiydi.

Sahne 3 1940 ve 1950'lerde başladı. Nicel atomik radyobiyoloji yöntemleri büyük ölçüde geliştirilmiştir.

Özellikle, en başından beri radyoaktif emisyonların aynı olmadığı tespit edildi ve 1903'te Maria Skladowska-Curie'nin tezinde bir çizim ortaya çıktı.

1998 Becquerel, β-ışınlarının negatif yüklü hızlı elektron akışı olduğunu kanıtladı.

1988-1899'da Paul Villard, yüke tepki vermeyen ve X ışınlarına benzeyen elektromanyetik radyasyonun gama ışınları olduğunu; elektriksel olarak nötrdürler (yükleri yoktur), durgun kütleleri yoktur ve bireysel enerji bölümlerinden oluşurlar.

1899'da Ernest Rutherford, a-ışınlarının bir dizi kuark nedeniyle pozitif yüklü protonlar nedeniyle pozitif yüklü bir helyum çekirdeği akışı olduğunu kanıtladı.

Silah sınıfı plütonyum üretimi için ilk reaktör 1940-1945'te inşa edildi.

Doğal radyoaktif atomların kökeni.

Yemek yiyor. radyoaktif atomlar, Dünya ortaya çıktığından beri etrafta.
1896'da Becquerel, bazı uranyum tuzlarının, bir yıl önce Roentgen tarafından keşfedilenlere benzer nüfuz edici radyasyon yaydığını keşfetti. Bu keşfin muazzam önemi hemen anlaşılmadı. Birkaç yıl sonra, Pierre ve Marie Curie, bu yeni fizik alanının araştırılmasına daha fazla ivme kazandırdı. Radyoaktivitesi uranyumun radyoaktivitesinden çok daha yoğun olan uranyum reçine karışımından iki maddeyi izole etmeyi başardılar. Becquerel tarafından keşfedilen fenomeni araştıran Rutherford ve Soddy, kısa süre sonra radyoaktivite fenomeninin, uranyum ve radyum atomlarının kararlı olmadığı, ancak her biri için karakteristik bir oranda bozunduğu varsayılarak açıklanabileceğini buldular. Bu durumda, diğer elementlerin atomları oluşur. Radyoaktif dönüşümler kendiliğinden ilerler. Akış hızları, sıcaklık ve basınçtaki değişikliklerden, elektrik ve manyetik alanların varlığından, belirli bir radyoaktif elementin kimyasal bileşiğinin türünden ve kümelenme durumundan etkilenmez. Radyoaktif bozunma, atom çekirdeğinin kendisinin bir özelliğidir ve yalnızca iç durumuna bağlıdır. Atom çekirdeğinin durumunu değiştirmeden radyoaktif bozunma sürecinin seyrini etkilemek imkansızdır. Radyoaktivite, bazı atom çekirdeklerinin α-, β-, γ-ışınları ve bazen diğer parçacıkların emisyonuyla kendiliğinden (kendiliğinden) bozunma yeteneğidir.
Radyoaktif radyasyon iyonizasyon etkisi yaratır. Bir radyoaktif element sürekli olarak enerji yayar ve bu nedenle sıcaklığı her zaman ortam sıcaklığından biraz daha yüksektir. Zaten ilk çalışmalar, bir elementin radyoaktivitesinin, saf formunda mı yoksa herhangi bir kimyasal bileşiğin bileşiminde mi olduğuna bağlı olmadığını gösterdi.

Atomun yapısı ve temel parçacıkların özellikleri.

Bir kimyasal elementin kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük parçacığına denir. atom.

Bir atom, bir atom çekirdeği ve bir elektron kabuğundan oluşur.

Bir atomun çekirdeği protonlardan (p+) ve nötronlardan (n0) oluşur.

Proton sayısı N(p+) çekirdeğin yüküne (Z) ve elementlerin doğal serisindeki (ve periyodik elementler sistemindeki) elementin seri numarasına eşittir.

Basitçe N harfi ile gösterilen nötron sayısı N(n0) ve proton sayısı Z'nin toplamına kütle numarası denir ve A harfi ile gösterilir.

Bir atomun elektron kabuğu, çekirdeğin etrafında hareket eden elektronlardan (e-) oluşur.

Nötr bir atomun elektron kabuğundaki elektron N(e-) sayısı, çekirdeğindeki proton Z sayısına eşittir.

Herhangi bir elementin atomu atom altı (temel) parçacıklara bölünebilir, ancak bu durumda bir atomun özelliklerine sahip olmayacaklardır.

Serbest durumda, temel parçacıklar kütle, elektrik yükü ve kendi dönüşleri (spin) ile karakterize edilir.

Temel parçacıklar sınıflara ayrılır:

1. fotonlar (nicelik) elektromanyetik alanın kuantalarıdır. Elektrik yükleri ve dinlenme kütleleri yoktur.

2. leptonlar("akciğerler"). Bunlar şunları içerir: elektronlar (e -); pozitronlar (e +) - bunlar elektronun antiparçacıklarıdır, çekirdekte bulunurlar, çekirdeğe girip elektronda buluştuğunda yok olma gerçekleşir, yani. karşılıklı yıkım; müonlar (µ–, µ+) – daha küçük parçacıklar, pozitif ve negatif yüke sahip olabilir; tau leptonları (t - , t +); nötrinolar ve antinötrinolar - son iki parçacığın elektrik yükü yoktur., dönüşte (hareket) farklılık gösterir.

3. mezonlar("orta") - kararsız parçacıklar. π mezonlar pozitif, negatif ve nötr bir yüke sahip olabilir ve hareket halinde ve madde parçacıkları şeklinde var olabilir (malzeme parçacıklarının kütlesi bir elektronun kütlesinden yaklaşık 270 kat daha fazladır). K-mezonlar pozitif ve negatif yükleri vardır, kütleleri bir elektronun kütlesinin 970 katıdır. Ömrü çok kısadır (10-8 sn), kararlı değildirler ve π mezonları ve leptonları veya sadece leptonların oluşumu ile bozunurlar. Eta mezonları (η) - Bir elektrondan 1074 kat daha ağırdır, ömrü 10 -19 sn, bozunarak π mezonlarına ve fotonlara dönüşür.

4. baryon sınıfı beraber getir protonlar , nötronlar , antiprotonlar , antinötronlar , ve kararsız, kütlesi nükleonların kütlesinden daha büyük olan - bunlara denir hiperonlar . Proton ve antiproton hariç tüm baryonlar kararsızdır. Bir baryon bozunduğunda, mutlaka bir baryon (genellikle bir proton) oluşur.

Bunlara ek olarak çok sayıda kısa ömürlü parçacık bulundu - rezonanslar.

Dünyadaki her şeyi saymayı seven fanatik matematikçiler, uzun zamandır temel sorunun cevabını bilmek istiyorlar: Evrende kaç tane parçacık var? Sadece bir pimin başına yaklaşık 5 trilyon hidrojen atomunun sığabileceği ve bunların her birinin 4 temel parçacıktan (bir protonda 1 elektron ve 3 kuark) oluştuğu düşünülürse, gözlemlenebilir parçacıklardaki parçacıkların sayısının güvenli bir şekilde varsayılabilir. evren insan temsilinin ötesindedir.

Her neyse, Nottingham Üniversitesi'nden fizik profesörü Tony Padilla, kütleleri olmadığı (veya daha doğrusu neredeyse hiç olmadığı) için fotonları veya nötrinoları hesaba katmadan evrendeki toplam parçacıkların sayısını tahmin etmenin bir yolunu geliştirdi:

Bilim adamı hesaplamaları için, evrendeki en eski görünür ışık olan ve böylece sınırının bir görünümünü oluşturan CMB'yi ölçmek için kullanılan Planck teleskopu ile elde edilen verileri kullandı. Teleskop sayesinde bilim adamları, görünür evrenin yoğunluğunu ve yarıçapını tahmin edebildiler.

Bir diğer gerekli değişken, baryonlarda bulunan maddenin fraksiyonudur. Bu parçacıklar üç kuarktan oluşur ve bugün en iyi bilinen baryonlar protonlar ve nötronlardır ve bu nedenle Padilla onları örneğinde dikkate alır. Son olarak, hesaplama için proton ve nötronun (yaklaşık olarak birbiriyle örtüşen) kütlelerini bilmek gerekir, ardından hesaplamalara geçebilirsiniz.

Bir fizikçi ne yapar? Görünür evrenin yoğunluğunu alır, onu yalnızca baryonların yoğunluğunun bir kesriyle çarpar ve ardından sonucu evrenin hacmiyle çarpar. Evrendeki tüm baryonların elde edilen kütlesini bir baryonun kütlesine böler ve toplam baryon sayısını elde eder. Ama biz baryonlarla ilgilenmiyoruz, amacımız temel parçacıklar.

Her baryonun üç kuarktan oluştuğu bilinmektedir - bunlar tam olarak ihtiyacımız olan şey. Ayrıca, toplam proton sayısı (hepimizin okul kimya dersinden bildiğimiz gibi), aynı zamanda temel parçacıklar olan toplam elektron sayısına eşittir. Ayrıca gökbilimciler, evrendeki maddenin %75'inin hidrojen, kalan %25'inin helyum olduğunu, bu ölçekteki hesaplamalarda diğer elementlerin ihmal edilebileceğini bulmuşlardır. Padilla nötronların, protonların ve elektronların sayısını hesaplar ve ardından ilk iki konumu üç ile çarpar ve sonunda nihai sonucu elde ederiz.

3.28x10 80. Üçten fazla vigintillion.

328.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

En ilginç şey, evrenin ölçeği göz önüne alındığında, bu parçacıkların toplam hacminin büyük bir bölümünü bile doldurmamasıdır. Sonuç olarak, Evren'de metreküp başına yalnızca bir (!) temel parçacık vardır.