allozovsky

Рассмотрим гипотетическую ситуацию. У сына вашей подруги сложная ситуация с русским в четверти, и он решается на отчаянный шаг: написать дополнительный контрольный диктант. Наступает день X, сын подруги сидит за партой, и учительница диктует список слов: баран, манеры, компания, карбонад...

Какова вероятность, что сын подруги успешно напишет диктант? :)

Но вернёмся к нашим баранам. Как следует написать первое слово, продиктованное коварной учительницей? Юные химики шутят: когда ты идёшь в школу, ты знаешь только одну прозрачную жидкость без вкуса и запаха, а после четырёх лет на олимпиадах – 10 таких жидкостей (если что, я знаю только одну, максимум две – но может быть кто-то знает больше?). У "гуманитариев" та же проблема: рано или поздно все в жизни сталкиваются с омофонами.

Так вот, [баˈран] – это ещё и боран, т.е. бороводород с формулой BH₃ и такой вот плоской молекулой:

К слову, по систематической номенклатуре названия родительских гидридов заканчиваются на "-ан":

CH₄ – карбан

SiH₄ – силан

GeH₄ – герман

NH₃ – азан

PH₃ – фосфан

H₂S – сульфан

H₂O – оксидан

Некоторые из них вы знаете под другими названиями.

И, да: вода по систематической номенклатуре – это оксидан.

Итак, рассмотрим основные характеристики нуклидов.

Как известно, ядро атома образуют два типа частиц: протоны (p или p⁺) и нейтроны (n или n⁰). Соответственно, нам понадобится два базовых показателя, характеризующих состав ядра атома: число протонов (Z) и число нейтронов (N). Почему число нейтронов обозначается символом N, думаю, понятно, а вот по поводу символа Z поговорим отдельно.

Те, кто знаком с обозначениями числовых множеств, сразу же признает в Z обозначение множества целых чисел ℤ – и будет совершенно прав. Как символ ℤ происходит от нем. Zahlen (/ˈtsaːlən/, цален) – "номера", "числа", так и символ Z означает Zahl – "номер", т.е. буквально "номер, под которым элемент значится в периодической таблице". Это обозначение появилось ещё тогда, когда о строении ядра ничего не было известно, а элементы в таблице просто упорядочивались по атомному весу. И только после 1915 года, когда выяснилось, что номер элемента совпадает с зарядом ядра атома, термин расширили до Atomzahl, оставив обозначение прежним: Z. Теперь мы также знаем, что заряд ядра атома равен числу протонов в ядре, поэтому все эти термины являются синонимами:

– порядковый номер;

– атомный номер;

– атомное число;

– зарядовое число;

– число протонов.

(также атомному номеру равно число электронов в нейтральном атоме).

Здесь необходимо заметить, что на практике число нейтронов N обычно не используется для описания нуклида, а вторым по важности после атомного номера Z является массовое число A – суммарное количество протонов и нейтронов: A = Z + N. Для символа здесь также использовано немецкое слово: Atomgewicht – т.е. буквально "атомный вес". Такой выбор термина вполне оправдан, т.к. массовое число приблизительно равно атомной массе нуклида (выраженной в атомных единицах массы).

Мы перечислили уже три характеристики нуклида, а вы пока ещё не услышали для себя ничего нового. Введём четвёртую характеристику: избыток нейтронов. Вполне логично, что если у нас имеется сумма числа протонов и нейтронов, то должна быть и разность: D = N – Z. Символ D здесь обозначает difference number. Исторически этот показатель также называют изотопическим числом (isotopic number) и альтернативно обозначают символом I.

Итак, у нас имеется четыре характеристики нуклида:

– число протонов Z

– число нейтронов N

– массовое число A = Z + N

– избыток нейтронов D = N – Z

Образуем из них символ нуклида.

Атомный номер Z, по сути, является синонимом символа элемента и факультативно указывается в левом нижнем углу:

То есть выражения "водород", "первый элемент", H и ₁H все обозначают одно и то же – химический элемент водород. Сам по себе атомный номер никакой дополнительной смысловой нагрузки не несёт и часто опускается (т.к. символа элемента вполне достаточно).

А вот массовое число A уже характеризует конкретный нуклид и именно оно обычно и участвует в описании нуклида в тексте. Массовое число указывается в левом верхнем углу самостоятельно:

либо вместе с атомным номером:

Последний вариант обозначения является так называемой стандартной AZE-нотацией: массовое число A – атомный номер Z – символ элемента E. Приведём несколько примеров для первых элементов таблицы:

Но чаще в тексте нуклид указывается только с массовым числом, причём возможны следующие комбинации: углерод-12, C-12, ¹²C – всё это обозначает самый распространённый нуклид углерода.

Итак, символ элемента (E) и массовое число (A) фактически однозначно определяют нуклид.

Число нейтронов N обычно самостоятельно не указывается, а присутствует в описании символа нуклида только вместе с атомным номером Z (и массовым числом A):

Это так называемый полный символ нуклида:

Как вы можете убедиться, сумма двух нижних индексов (Z + N) равна верхнему левому индексу (A).

А как же четвёртый показатель – избыток нейтронов D? Дело в том, что он, по сути, является избыточным и ничего нового к описанию нуклида уже не добавляет, поэтому не используется практически никогда. Вы вряд ли сегодня найдёте о нём много информации (а также о его синониме: изотопическом числе I – если только вы не знакомы с англоязычной литературой столетней давности: примерно тогда этот термин и был введён). Тем не менее (т.к. у нас имеется ещё одно вакантное место для индекса) в учебных целях вы можете указать его в верхнем правом углу:

Впоследствии это нам ещё пригодится. Если вы рассчитаете избыток нейтронов для приведённой выше цепочки нуклидов, то получите:

Как вы можете заметить, в двух случаях (¹H и ³He) избыток нейтронов отрицателен и равен (–1). У трёх нуклидов число протонов и нейтронов одинаково и избыток нейтронов равен 0: ²H, ⁴He, ⁶Li – это нуклиды с чётным массовым числом, равным удвоенному атомному номеру: A = 2Z. Также нам встречаются нуклиды с положительным избытком нейтронов, равным 1: ³H, ⁷Li, ⁹Be – у них в ядре нейтронов на 1 больше, чем протонов.

Разберём все три случая.

1. Отрицательный избыток нейтронов у стабильных нуклидов встречается всего дважды, и оба эти нуклида мы уже перечислили. Это лёгкий нуклид водорода – протий ¹H (его ядром является протон) и лёгкий нуклид гелия ³He (его ядро называется гелион – заметьте, именно ядро). Все остальные стабильные нуклиды имеют нулевой или положительный избыток нейтронов (и чем ближе к концу таблицы, тем более положительный).

2. Нулевой избыток нейтронов встречается у стабильных нуклидов до кальция включительно. Знать такие нуклиды может быть очень полезно, т.к. это позволяет быстро в уме оценить атомную массу элемента (конечно, тем, кому такие навыки в принципе могут пригодиться).

Разберём несколько практических задач. Во-первых, среди четырёх основных органообразующих элементов – CHON ("чён") – три элемента (кроме водорода) представлены в природе в основном стабильными нуклидами с нулевым избытком нейтронов: ¹²C, ¹⁴N, ¹⁶O. Если в школе вы выучили хотя бы первые три периода таблицы на память (как считалочку), то вам не составит труда вспомнить атомный номер элемента Z, посчитать его массовое число A = 2Z и определить атомную массу:

Z = 6, A = 2·6 = 12 – для углерода ₆C

Z = 7, A = 2·7 = 14 – для азота ₇N

Z = 8, A = 2·6 = 16 – для кислорода ₈O

Конечно, всё это очень простые, элементарные вещи, но теперь вы можете объяснить, почему у этих элементов такие красивые круглые (и чётные!) атомные массы.

Но где всё это в принципе может пригодиться? Ну, например, вы хотите посчитать среднюю молекулярную массу воздуха. Вы прекрасно помните, что воздух состоит из азота N₂ (80%) и кислорода O₂ (20%). Даже если вы забудете про кислород, а возьмёте 100% азота , ваша оценка уже будет очень близкой к реальности:

M(возд.) = M(N₂) = 2·14 = 28 г/моль.

Добавив кислород, вы получите:

M(возд.) = 0.8·2·14 + 0.2·2·16 = 28.8 г/моль

Это уже очень хорошая оценка (учёт аргона и углекислого газа сильно её не изменит).

Но для чего же нам может понадобиться средняя молекулярная масса воздуха? Например, с её помощью вы сможете оценить, где будет скапливаться газ, идущий из открытой, но незажжённой горелки.

Для этого нам потребуется молярная масса природного газа – метана CH₄:

M(CH₄) = 12 + 4∙1 = 16 г/моль

и сжиженного газа – пропана C₃H₈:

M(C₃H₈) = 3∙12 + 8∙1 = 44 г/моль.

Всё это мы уже умеем считать в уме.

Как видно из расчётов, метан (идущий по централизованной трубе) почти в 2 раза легче воздуха и быстро выветривается через открытую форточку (а если форточка закрыта, то через вентиляцию). Пропан же (привезённый в баллоне) в 1.5 раза тяжелее воздуха и никуда не выветривается, а скапливается слоем внизу комнаты и быстро вспыхивает от искры непредусмотрительно нажатого настенного выключателя (к тому же взрывоопасность пропана в 2 раза выше, чем у метана, и ему нужна меньшая концентрация для взрыва). Насколько эта информация может быть полезна? – Думаю, может. Например, она может вам подсказать, что вентиляция на кухне всегда должна быть открыта и исправна. И тогда всё будет в порядке.

3. Мы уже освежили в памяти довольно большой объём информации, но рассмотрим кратко последний пункт и вспомним про элементы с положительным избытком нейтронов (таких элементов в периодической таблице большинство).

Из полного списка шести органообразующих элементов – CHONPS ("чёнпс") – два последних (фосфор и сера) по этому признаку отличаются. Фосфор ₁₅P – единственный из списка, имеющий положительный избыток нейтронов D = 1 (нуклид ³¹P), а сера ₁₆S присоединяется к углероду, азоту и кислороду и представлена в основном нуклидом ³²S с нулевым избытком нейтронов.

На этом пока всё. Продолжим в следующей части, где мы разберём типы нуклидов и узнаем, что же это за зверь такой – изодиаферы, а также познакомимся с зеркальными ядрами и ядерными изомерами.

Расскажу историю, которая произошла со мной во времена беззаботного студенчества и сильно повлияла на моё представление о методах ведения научной дискуссии.

Было ясное субботнее утро, я прогуливался по родному городу и от нечего делать забрёл в местную церковь адвентистов седьмого дня (две тамошние прихожанки – мои знакомые ещё со школьных времён – во время строительства церкви работали на кухне поварихами, кормили строителей и варили о-о-о-очень вкусный борщ). Как известно, адвентисты седьмого дня в субботу не работают (и детей своих в школу не отпускают), а собираются с утра пораньше на совместное богослужение. Когда я пришёл, в зале на первом этаже уже вовсю шла служба, а на втором этаже параллельно проходили встречи в маленьких группках по интересам, в которых обсуждались насущные богословские вопросы. К одной из таких групп я и присоединился. Когда одна из прихожанок (постарше) узнала, что я студент технической специальности, она задала мне сакраментальный вопрос:

– Скажи, а что удерживает атомы вместе?

Я, конечно же, не растерялся, и вкратце объяснил, что электроны возле ядра держатся благодаря электромагнитным силам, а протоны и нейтроны в ядре – благодаря сильному взаимодействию. Но к чему был задан этот вопрос, я не совсем понимал, и мне стало интересно, какие аргументы выдвинет вторая сторона.

Прихожанка (постарше) внимательно посмотрела на меня, глубокомысленно помолчала, раскрыла Библию, которая лежала у неё на коленях, и указала на стих из Евангелия от Иоанна:

Отец любит Сына и всё дал в руку Его.

Не успел я подумать "э-э-э... что, простите?", как последовало разъяснение:

– Иисус всё держит в своих руках. Поэтому атомы не распадаются.

Для студента технической специальности это был о-о-о-очень сильный аргумент.

*****************************************************************************************

Итак, тема сегодняшней лекции: "Межнуклонное внутриядерное взаимодействие: обмен виртуальными π-мезонами" :)

P.S. Для желающих: в первом комментарии – мультик про нуклоны. Но это уже совсем другая история.

Итак, знакомьтесь:

нуклон

адрон

а также барион и фермион

элементарная(?) частица

недоядро, недонуклид и недоатом

недоэлемент!

участник барионной асимметрии Вселенной,

чьё время жизни точно не определено(?!)

причина ядерных реакций

на вид нейтральный, но несёт заряд внутри

спаситель от "азотной катастрофы",

что сам себя спасти не смог,

внутри тебя 5 000 раз в секунду распадаясь

раунд!

1. Нуклоны – так называют элементарные(?) частицы, входящие в состав атомных ядер. Нейтрон входит в состав атомных ядер. Следовательно, он – нуклон.

2. Адроны – составные(!) частицы, состоящие из (двух и более) кварков. Нейтрон состоит из трёх кварков (udd). Следовательно, он – адрон.

3. Барионы – это такие адроны (состоящие из кварков), у которых число кварков нечётно (обычно три). Нейтрон соответствует этому описанию. Следовательно, он – барион.

4. Фермионы – частицы с полуцелым спином (что бы этот термин ни обозначал). Спин нейтрона равен 1/2. Следовательно, он – фермион.

5. Нейтрон в том же смысле (физически) элементарная частица, в каком атом – (химически) неделимая частица.

Атом химически разделить нельзя, хотя он имеет структуру и может отдавать электроны, превращаясь в ион. Но устроить атому #TetrisChallenge и разложить все его протоны, нейтроны и электроны в ряд обычными химическими методами не получится.

Нейтрон физически разделить нельзя, хотя он имеет структуру и может распадаться с образованием протона, электрона и электронного антинейтрино. Но разложить его кварки в ряд обычными физическими методами не получится.

Таким образом, "элементарная частица" – это скорее исторический термин, отражавший наши представления о нейтроне на момент его открытия. Сегодня применяются более точные термины фундаментальная частица (не имеющая структуры) и составная частица (имеющая внутреннюю структуру). В этом смысле нейтрон – частица составная.

6. Хотя нейтрон входит в состав ядер атомов всех химических элементов (кроме самого лёгкого изотопа водорода – протия), сам он полноценного ядра и атома (а следовательно, нуклида и элемента) не образует (т.к. в силу своей нейтральности неспособен удерживать возле себя электроны). Тем не менее, разлить сильно охлаждённый "нейтронный газ" по бутылкам (в прямом смысле слова – молочным) всё же можно (точно так же, как жидкий азот, гелий или водород). Это может многим показаться невероятным, но такую возможность ещё в 1959 году теоретически предсказал советский академик Зельдович, а через девять лет, в 1968 году, практически осуществил профессор Шапиро. Эта тема интересна сама по себе, и подробнее обсудить её можно в комментариях (или в отдельной статье). Так что в некотором смысле нейтрон (при желании) можно считать образующим вещество элементом (а также нуклидом, атомом и ядром, пусть и вырожденным) – это всего лишь вопрос договорённостей.

7. Вопрос барионной асимметрии Вселенной (т.е. труднообъяснимого превалирования вещества над антивеществом) был впервые поднят в 1967 году академиком Сахаровым. Почему существование вещества в наблюдаемой Вселенной сложно объяснить (с точки зрения Стандартной модели)? Современные теории строения вещества исходят из того, что на ранних этапах развития Вселенной все частицы образовывались парами вместе со своими античастицами, т.е. частиц и античастиц во Вселенной должно быть поровну. Тем не менее, найти значительные количества антивещества учёные на сегодня не могут. И тут возможны две основные версии: либо антивещество где-то прячется (крайне маловероятно, но в принципе возможно), либо вещества действительно образовалось больше! Существует оценка: на каждый миллиард античастиц в силу каких-то не до конца понятных причин образовалась миллиард плюс одна частица. Потом миллиард частиц и античастиц аннигилировали (и превратились в излучение), а одна лишняя частица осталась (и вместе со своими сёстрами входит в состав всего, что мы видим вокруг). Нейтрон (на пару с протоном) как раз и образует основную часть (барионного – см. п. 3) вещества Вселенной.

8. Нейтрон (в отличии от протона) в свободном состоянии нестабилен и примерно через 15 минут (в среднем) распадается с образованием образованием протона, электрона и электронного антинейтрино: n⁰ → p⁺ + e⁻ + ν̃ₑ. Существует два основных метода определения времени жизни нейтрона: традиционный "пучковый" (с помощью магнитной ловушки определяют, сколько в пучке нейтронов в результате распада образовалось положительно заряженных протонов – т.е. считают получившиеся протоны) и относительно новый "бутылочный" (в "бутылке" собирают ультрахолодные нейтроны (см. п. 6), ждут некоторое время и потом считают, сколько осталось нераспавшихся нейтронов). Проблема в том, что "бутылочный" метод (его сейчас активно использует группа питерского физика Сереброва) даёт значительные расхождения с "пучковым" – до 9 секунд (что по современным меркам очень много), и причина этого до конца неизвестна (гипотезы выдвигаются самые разные, вплоть до совершенно фантастических). Детальнее этот вопрос можно обсудить отдельно.

9. И последнее на сегодня (пропустим несколько пунктов презентации) – природная радиоактивность организма. Она вызвана в основном двумя радиоактивными изотопами (калий-40 и углерод-14), подверженными β-распаду с участием нейтрона.

Первый из них (⁴⁰K) распадается с образованием кальция: ⁴⁰K → ⁴⁰Ca + e⁻ + ν̃ₑ (9 случаев из 10) или аргона: ⁴⁰K + e⁻ → ⁴⁰Ar + νₑ (1 из 10). Очень редко (в 1 на 100 тысяч случаев) происходит распад с излучением позитрона – античастицы для электрона: ⁴⁰K → ⁴⁰Ar + e⁺ + νₑ. Таким образом, наш организм постоянно синтезирует антивещество (пусть и в очень-очень малых количествах). Последние две реакции служат причиной того, что третий по объёму газ атмосферы (после азота и кислорода) – это аргон (составляющий почти 1% воздуха), а вовсе не углекислый газ (он занимает только 4-е место). По этой же причине (большое количество радиогенного изотопа ⁴⁰Ar) земной аргон слишком тяжёлый (тяжелее калия), что в своё время заставило сильно задуматься Менделеева (который в своей таблице расставлял элементы по весу и для аргона был вынужден сделать исключение).

В среднем содержание калия в организме человека составляет около 2,5 г на 1 кг массы тела. Из них 0,0117% (т.е. 0,3 мг) приходится на ⁴⁰K, активность 1 г которого составляет 2,65∙10⁵ Бк (т.е. 265 000 распадов в секунду). Для человека массой 70 кг это даёт 70×(0,3∙10⁻³)×(2,65∙10⁵) ≈ 5000 распадов в секунду или 60×5000 = 300 000 распадов в минуту. Поделив результат на 100 000, получим, что в организме взрослого человека в минуту образуется 3 частицы антивещества (тех самых позитронов).

Другой природный радиоизотоп (¹⁴C) позволяет установить возраст ископаемых биоматериалов или отличить водку, сделанную из пищевого спирта (полученного из картошки и зерна), от водки, сделанной из технического спирта (полученного, например, из нефти – если кому-нибудь в голову придёт такая идея). "Натуральная" водка обязательно будет радиоактивной. Но это уже совсем другая история.

Disclaimer: не пытайтесь применять полученные на Pikabu знания против беззащитных преподавателей – это может привести к непоправимым последствиям!