Какие элементарные частицы имеют наименьший электрический заряд

Элементарный заряд и частица электрон

Электрический заряд тела можно делить на части до тех пор, пока не получим самый маленький – элементарный заряд. Он равен заряду частицы, названной электроном.

Электрический заряд можно делить

Если в природе существуют заряженные частицы, значит, заряд, полученный телом при электризации, состоит из суммы зарядов этих частиц.

Обнаружить простейший и самый маленький заряд в природе, можно с помощью деления общего заряда тела на части.

Метод половинного деления

Этот метод заключается в делении какой-либо величины на две равные части. После этого, выбирают одну из частей и опять делят на две равные части.

Каждый раз выбирают половину и делят ее пополам, до тех пор, пока не получат самую маленькую часть, заряда которую разделить не получится.

Этот метод можно продемонстрировать на опыте.

Демонстрация деления заряда с помощью электрометров

Для проведения эксперимента потребуется два электрометра. Зарядим один из электрометров, а второй оставим незаряженным (рис. 1).

После соединим электрометры металлическим предметом – линейкой, проволокой и т. п. Мы увидим, что первоначальный заряд распределится между двумя электрометрами поровну (рис. 2).

Избыточный заряд между телами распределяется поровну.

Теперь уберем заряд одного из электрометров. А половинный заряд, оставшийся на втором приборе, опять разделим пополам, соединив измерительные приборы – заряженный и незаряженный, металлическим предметом. Этот остаточный заряд распределится между приборами поровну.

Проделав такой опыт некоторое количество раз, получим на одном из электрометров малый остаточный заряд, который разделить на части не получится. Такой заряд называют элементарным.

Опыты Иоффе и Милликена

На самом деле, чувствительности школьного электрометра не хватит, чтобы определить элементарный заряд. Физики определили величину элементарного заряда несколько другим способом.

Опыты по определению элементарного заряда проводили ученые Абрам Иоффе (СССР) и Роберт Милликен.

Они электризовали маленькие крупинки цинка и измеряли их заряд. От опыта к опыту заряд крупинок отличался в целое число раз.

Это натолкнуло на мысль, что в природе существует частица, обладающая таким самым маленьким — элементарным зарядом, который не делится на части.

Заряд и масса электрона

Элементарный заряд – это очень малый заряд. Таким зарядом обладает элементарная частица — электрон. Равный ему заряд, но имеющий противоположный знак, имеет элементарная частица протон. Заряд электрона отрицательный, а заряд протона – положительный.

\[ \large \boxed =1<,>6 \cdot 10^ <-19>\left( \text <Кл>\right) > \]

Заряд – это одно из главных свойств электрона. Отделить от электрона его заряд не получится.

\[ \large \boxed =9<,>1 \cdot 10^ <-31>\left( \text <кг>\right) > \]

Это очень маленькая масса, она почти в 2000 раз меньше массы самого легкого и маленького атома – атома водорода.

Единица измерения заряда

Электрический заряд измеряют в Кулонах в честь французского физика Шарля Огюстена Кулона. Он изучал электричество и механику, жил с 1736 по 1806 год. В те времена, когда Кулон проводил свои опыты, связанные с электричеством, еще не существовало единиц для измерения заряда.

Заряд в системе СИ

Примечание: Как правило, для измерения какой-либо физической величины можно выбрать любую удобную единицу. Именно так ранее и поступали. Поэтому, например, для измерения длин применялись такие единицы, как аршин, локоть, сажень и т. п.

Со временем в различных странах накопилось большое количество различных единиц измерений для одних и тех же величин. При переводе одних единиц в другие возникали разногласия и путаница. Чтобы исключить разногласия, ввели единую международную систему единиц, сокращенно СИ. В современной физике эта система измерения величин получила широкое применение.

Как единицу для измерения заряда логично было бы выбрать заряд электрона. Но заряд электрона – это очень малая величина. И для зарядов, с которыми мы сталкиваемся при решении большинства технических задач, такой малый заряд в качестве единицы измерения выбирать неудобно.

В системе СИ нет эталона для единицы измерения заряда. И заряд выражается через другие величины, для которых эталон есть.

Основной единицей для измерения электрических величин в СИ служит Ампер. Это единица силы тока (ссылка). Численно эталон 1-го Ампера определяют по магнитному взаимодействию двух токов.

Единица заряда – 1 Кулон, связана с одним Ампером.

\[\large \boxed < 1 \text<Кл>= 1 A \cdot 1 c > \]

Если ток в проводнике равен 1 Амперу, то за 1 секунду через его поперечное сечение проходит заряд, равный 1 Кулону.

Кратность любого заряда элементарному заряду

Заряд, который мы сообщаем телу, всегда кратен элементарному заряду:

\(q \left( \text<Кл>\right) \) – заряд тела;

\( e \left( \text<Кл>\right) \) – элементарный заряд;

\( N \left( \text<шт>\right) \) – количество элементарных зарядов, это целое число;

Заряд можно распределить по телу, для описания распределенных зарядов используют термин — плотность заряда.

Любой заряд в пространстве вокруг себя создает электрическое поле.

Один кулон — много ли это

Заряд в 1 Кулон – это очень большой заряд. Если шар, диаметром в 110 метров, расположить в сухом воздухе достаточно далеко от других тел (рис. 3), тогда этот шар сможет содержать избыточный заряд в 1 Кулон (Кл).

Однако, не следует думать, что такие большие заряды не используются. К примеру, через провод работающего бытового электрического чайника мощностью 1000 Ватт каждую секунду проходит заряд в 4,55 Кл.

Самые маленькие частицы во Вселенной ⁠ ⁠

Ответ на постоянный вопрос о самой маленькой вещи во Вселенной развился вместе с человечеством. Люди когда-то думали, что песчинки были строительными блоками того, что мы видим вокруг.

Затем был открыт атом. Концепция атомов была впервые предложена греками, которые полагали, что объекты могут быть бесконечно разделены на две части, пока не останется одна неделимая частичка материи. Эта невообразимо малая единица не могла быть разделена дальше и поэтому называлась «атомом», образованным от греческого слова A-tomos. Где «А» означает «нет» и «томос» – делить.

Он считался неделимым, пока он не раскололся, чтобы обнаружить протоны, нейтроны и электроны внутри. Они тоже казались фундаментальными частицами, прежде чем ученые обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый.

Так какие же из частиц являются самыми маленькими во Вселенной?

10. Электрон

Электрон – отрицательно заряженная субатомная частица. Он может быть свободным (не привязанным к какому-либо атому) или связанным с ядром атома. Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни. Чем больше сферическая оболочка, тем выше энергия, содержащаяся в электроне электрических проводниках поток тока возникает в результате движения электронов от атома к атому в отдельности и от отрицательных к положительным электрическим полюсам в целом. В полупроводниковых материалах ток также возникает как движение электронов.

Позитроны – это античастицы электронов. Основным отличием от электронов является их положительный заряд. Позитроны образуются при распаде нуклидов, в ядре которых имеется избыток протонов по сравнению с числом нейронов, когда происходит распад, эти радионуклиды испускают позитрон и нейтрино.

В то время как нейтрино выходит без взаимодействия с окружающим веществом, позитрон взаимодействует с электроном. Во время этого процесса аннигиляции массы позитрона и электрона превращаются в два фотона, которые расходятся в почти противоположных направлениях.

Протонная стабильная субатомная частица с положительным зарядом, равным по величине единице заряда электрона и массой покоя 1,67262 × 10 -27 кг.

Около десяти лет назад казалось, что и спектроскопия, и эксперименты по рассеянию сходились на протонном радиусе 0,8768 фемтометров (миллионные доли миллионной доли миллиметра).

Но в 2010 году новый поворот в спектроскопии поставил под сомнение этот идиллический консенсус. Команда измерила протонный радиус 0,84184 фемтометров.

Вы знаете, что нейтроны находятся в ядре атома. В нормальных условиях протоны и нейтроны слипаются в ядре. Во время радиоактивного распада они могут быть выбиты оттуда. Нейтронные числа способны изменять массу атомов, потому что они весят примерно столько же, сколько протон и электрон вместе.

Нейтроны можно найти практически во всех атомах вместе с протонами и электронами. Водород -1 является единственным исключением. Атомы с одинаковым количеством протонов, но с разным количеством нейтронов называются изотопами одного и того же элемента.

Количество нейтронов в атоме не влияет на его химические свойства. Однако это влияет на его период полураспада, меру его стабильности. Нестабильный изотоп имеет короткий период полураспада, при котором половина его распадается на более легкие элементы.

Представьте себе луч желтого солнечного света, сияющего через окно. Согласно квантовой физике, этот луч состоит из миллиардов крошечных пакетов света, называемых фотонами, которые текут по воздуху. Но что такое фотон?

Фотон – это наименьшее дискретное количество или квант электромагнитного излучения. Это основная единица всего света.

Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью всем наблюдателям 2,998 × 10 8 м/с. Обычно это называют скоростью света, обозначаемой буквой с.

Согласно квантовой теории света Эйнштейна, фотоны имеют энергию, равную частоте их колебаний, умноженной на постоянную Планка. Эйнштейн доказал, что свет – это поток фотонов, энергия этих фотонов – это высота частоты их колебаний, а интенсивность света соответствует количеству фотонов.

Кварк – одна из фундаментальных частиц в физике. Они соединяются, чтобы сформировать адроны, такие как протоны и нейтроны, которые являются компонентами ядер атомов.

Кварк имеет ограничение, что означает, что кварки не наблюдаются независимо, но всегда в сочетании с другими кварками. Это делает невозможным непосредственное измерение свойств (массы, спина и четности); эти черты должны быть выведены из частиц, состоящих из них.

Спустя миллионную долю секунды после Большого взрыва Вселенная была невероятно плотной плазмой, настолько горячей, что не могло существовать ни ядер, ни даже ядерных частиц.

Плазма состояла из кварков, частиц, которые составляют нуклоны и некоторые другие элементарные частицы, и глюонов, безмассовых частиц, которые «переносят» силу между кварками.

Глюоны – это обменные частицы для цветовой силы между кварками, аналогичные обмену фотонов в электромагнитной силе между двумя заряженными частицами. Глюон можно считать фундаментальной обменной частицей, лежащей в основе сильного взаимодействия между протонами и нейтронами в ядре.

Мюоны имеют такой же отрицательный заряд, как и электроны, но в 200 раз больше массы. Они возникают, когда частицы высокой энергии, называемые космическими лучами, врезаются в атомы в атмосфере Земли.

Путешествуя со скоростью, близкой к скорости света, мюоны осыпают Землю со всех сторон. Каждая область планеты размером с руку поражена примерно одним мюоном в секунду, и частицы могут пройти через сотни метров твердого материала, прежде чем они будут поглощены.

По словам Кристины Карлогану, физика из Физической лаборатории Клермон-Феррана во Франции, их вездесущность и проникающая способность делают мюоны идеальными для визуализации больших плотных объектов без их повреждения.

Нейтрино – это субатомная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда и очень маленькой массы, которая может даже быть нулевой.

Нейтрино являются одной из самых распространенных частиц во Вселенной. Однако, поскольку они очень мало взаимодействуют с материей, их невероятно сложно обнаружить.

Для обнаружения нейтрино требуются очень большие и очень чувствительные детекторы. Как правило, нейтрино с низкой энергией проходит через многие световые годы нормальной материи, прежде чем взаимодействовать с чем-либо.

Следовательно, все наземные нейтринные эксперименты основаны на измерении крошечной доли нейтрино, которые взаимодействуют в детекторах разумного размера.

1. Бозон Хиггса («Частица Бога»)

Физике частиц обычно тяжело конкурировать с политикой и сплетнями знаменитостей за заголовки, но бозон Хиггса привлек серьезное внимание. Возможно, знаменитое и неоднозначное прозвище знаменитого бозона, «Частица Бога», заставляло гудеть средства массовой информации.

С другой стороны, интригующая возможность того, что бозон Хиггса отвечает за всю массу во Вселенной, захватывает воображение.

Бозон Хиггса является, если не сказать, самой дорогой частицей всех времен. Это немного несправедливое сравнение; например, для открытия электрона потребовалось немного больше, чем для вакуумной трубки и настоящего гения, а для поиска бозона Хиггса потребовалось создание экспериментальных энергий, которые раньше редко встречались на планете Земля.

Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни.

Позитроны образуются при распаде нуклидов, в ядре которых имеется избыток протонов по сравнению с числом нейронов

Нейроны должны быть в головном мозге автора, а в атомном ядре — нейтроны.

Нейтронные числа способны изменять массу атомов, потому что они весят примерно столько же, сколько протон и электрон вместе.

Числа весят? Числа способны изменить массу? А могут и не изменить?

Согласно квантовой физике, луч состоит из миллиардов крошечных пакетов света, называемых фотонами, которые текут по воздуху.

Текут по воздуху согласно квантовой физике? Вы сербезно?

Кварк имеет ограничение, что означает, что кварки не наблюдаются независимо

Ограничение чего? Насчет кварка не уверен, но автор точно имеет ограничение.

Глюоны – это обменные частицы для цветовой силы между кварками

Для того, чтобы обычный челокев понял, что такое подразумевается под странным выражением «цветовая сила», нужно неслабо вдаться в объяснение. Для тех, кто знает про цветной заряд кварков, вся эта статья — горячечный бред.

Нейтрино – это субатомная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда и очень маленькой массы

Так а чем он «очень похож»?

Вся статья — удивительная смесь реальных фактов и абсолютно бездумной их интерпретации. Как будто человек, далекий от науки и даже школьного образования, краем уха что-то слышал и потом написал это.

«Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни. »

Мне казалось как-то так:

«Позитроны образуются при распаде нуклидов, в ядре которых имеется избыток протонов по сравнению с числом нейронов» — Нейро́н, или невро́н (от др.-греч. νεῦρον — волокно, нерв) — узкоспециализированная клетка, структурно-функциональная единица нервной системы.

Спасибо за статью

Я ждал шутку про зарплату

На нейтрон, поэтому и обозвали «нейтрончик»

Откуда берутся атомы?⁠ ⁠

Материя в том виде, как она есть и известна нам, состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Комбинации атомов порождают целостные материалы, а атомы разных элементов отличаются друг от друга по ряду параметров.

Сами атомы тоже состоят из субатомных частиц, о которых я уже многократно рассказывал на канале. Но наиболее частый вопрос тут — это не как устроен атом, а откуда вообще атомы берутся?

Мы оказываемся тут где-то на границе мироздания. Нужно или принять, что всё существовало вечно, или допустить что не из чего вдруг родились первые колебания некоторой субстанции (будь то эфир или квантовое поле сейчас неважно), или же просто проанализировать технический характер появления материальных частиц. Давайте рассмотрим появления атома, исходя из имеющихся научных представлений.

Кстати, следующий вопрос, который тут напрашивается — появляются ли новые атомы или вся материя была создана один раз и теперь постоянно превращается из одного варианта в другой, а её количество определяется законом сохранения? Это интересный вопрос, но как говаривал один усатый дядька — «это уже совсем другая история».

Про природ материи как таковой советую посмотреть мой ролик на тубе. Отчасти там есть ответ на рассматриваемый вопрос.

Появление атомов в научных фильмах

В фильмах от Discovery обычно повествование строится следующим образом:

Вселенная после появления достигла температур, при которых стали происходить процессы захвата отрицательно заряженных электронов массивными протонами. Это формировало тот атом, который мы привыкли видеть.

После появления простых элементов, традиционного водорода и гелия, появляются более крупные элементы. Они образуются преимущественно в результате столкновения более мелких элементов, что известно как ядерный синтез. Столкновение с нужным количеством энергии рождает новые частички.

Некоторые типы атомов образуются в результате разложения очень больших нестабильных атомов. Этот процесс распада на части известен как ядерное деление.

Вроде бы и можно считать это некоторым ответом, но информации слишком мало. Например, откуда взялись сами протоны, нейтроны и даже электроны?

Откуда взяли запчасти?

Ещё Ломоносов исходил из того, что, говоря современным языком, в силу научного незнания мы должны принять вечное существование субатомных частичек. Но физики всё же высказывают разные варианты механизма появления субатомных частичек.

Многие считают, что во главе угла стоял электрон, который стал базой для формирования более сложных частиц. Тут уместно отметить, что по существующим сейчас представлениям сам электрон является не материей в прямом смысле этого слова и не может быть представлен, как мячик, а является флуктуацией волновой функции.

Иными словами — электрон есть энергия. Что приводит к банальному выводу — любая материя состоящая из атомов является энергией в определенной её форме и сам атом появился как результат взаимодействия энергии с пространством. Про это подробно рассказывается в моей заметке про отличие модели атома Шрёдингера.

Ещё Ломоносов исходил из того, что, говоря современным языком, в силу научного незнания мы должны принять вечное существование субатомных частичек. Но физики всё же высказывают разные варианты механизма появления субатомных частичек.

Многие считают, что во главе угла стоял электрон, который стал базой для формирования более сложных частиц. Тут уместно отметить, что по существующим сейчас представлениям сам электрон является не материей в прямом смысле этого слова и не может быть представлен, как мячик, а является флуктуацией волновой функции.

Иными словами — электрон есть энергия. Что приводит к банальному выводу — любая материя состоящая из атомов является энергией в определенной её форме и сам атом появился как результат взаимодействия энергии с пространством.

Как сами электроны могли стать базой для появления атома?

Когда некоторое количество материи образовалось и механизм был уже запущен, естественные процессы типа диффузии, привели нас к той материи и тому разнообразию атомов, которые мы получили сегодня. Правда тут ещё стоило бы обсудить сразу и темную материю.

Ну а всех, кто дочитал статью, приглашаю подписаться на мой канал в телеге 🙂

Средневековые лошади были не крупнее современных пони⁠ ⁠

Они начали увеличиваться в размерах только после 1500 года.

В средневековых батальных сценах в фильмах тяжеловооруженные воины изображаются верхом на мощных конях, которые внушающим страх галопом несутся по равнине в атаку на соперников. Однако мало кто знает, насколько эти картины преувеличены. Новое исследование ученых показало, что в Средневековье лошади были примерно такого же размера, как современные пони.

Группа археологов из пяти британских университетов провела раскопки в 171 месте по всей Великобритании, обнаружив кости около двух тысяч лошадей, датируемые периодом с 300 по 1650 год нашей эры. Анализ показал, что в среднем лошади англосаксонского и нормандского периодов были ниже 1,48 метра в высоту (не в холке, а именно в целом по росту).

Кэтрин Канн, исследователь из Университета Эксетера, с фрагментом нижней челюсти лошади, найденной в Линкольншире

Остатки самой высокой лошади из выборки ростом 1,58 метра были найдены в замке Троубридж в Уилтшире, что ставит её в один ряд с небольшими лёгкими верховыми лошадьми в наши дни. Ее кости датировали примерно XI-XII веками. Только в период Высокого Средневековья (1200-1350 гг. н.э.) лошади начали дорастать до отметки в 1,70 метра, и это оставалось их пределом до постсредневекового периода (после 1500 года).

Конечно, отмечают исследователи, некоторые боевые кони (известные как дестриэ) были относительно крупными для того времени, но и они оказались меньше, чем мы могли ожидать. В исследовании говорится, что в Средневековье у лошадей были разные задачи, и, скорее всего, с учётом этих задач их и разводили: «Практика отбора и разведения в королевских конных заводах, возможно, была сосредоточена как на темпераменте и правильных физических характеристиках для войны, так и на исходном размере».

Дестриэ, которые предназначались для демонстрации или турниров, а также для верховой атаки, были крупнее, а лошади меньшего размера, известные как скакуны и рысаки, должны были преодолевать большие расстояния во время военных походов.

«Исторические записи не содержат конкретных критериев, определяющих дестриэ – боевого коня. Вероятно, на протяжении всего средневекового периода, в разное время, в ответ на изменение тактики боя и культурных предпочтений всадники предпочитали разные типы лошадей», – сообщила Хелен Бенкерт, соавтор исследования из Университета Эксетера.

В исследовании также отмечается, что средневековые археологические раскопки часто содержат меньше конских костей по сравнению с более ранними памятниками римского и железного веков. Вероятно, это связано с тем, что средневековые лошадиные туши часто обрабатывались не так, как другие животные. Их обрабатывали на кожевенных заводах, где шкуры перерабатывались для производства кожи, и на живодерских дворах, где старых животных продавали на мясо.

Элементарные частицы. Тайны природы, которые нам предстоит открыть

Открытие «невидимых» элементарных частиц положило начало современной физике. В ней всё время совершаются новые грандиозные прорывы: например, подтвердилось существование бозона Хиггса. Знать, что такое лептоны, кварки и бозоны, очень важно для понимания актуальной картины мира. Мы собрали базовые знания по физике элементарных частиц, которые пригодятся всем.

В конце XVIII — начале XIX века физики были твердо убеждены, что в их науке больше нечего исследовать и никаких прорывов в ней не предвидится. Однако прошло всего полвека, и в научных журналах стали появляться статьи, описывавшие необъяснимые результаты экспериментов. То Рентген откроет лучи, которые проникают через стекло и отклоняются в магнитном поле, то Беккерель засветит фотопластинку минералом урана… Эти явления заставили людей задуматься о том, что атомный мир намного сложнее, чем они думали.

Самой первой частицей, о которой узнали физики, стал электрон . Это понятие ввел еще в конце XIX века британский ученый Джордж Стоуни, чтобы описать перенос заряда в электрохимических процессах. А в 1897 году Джозеф Томсон, исследуя «катодные лучи», выяснил, что они состоят из частиц, обладающих также и волновыми свойствами.

Свойства волны и частицы во многом противоположны. Например, частица, ударяясь о препятствие, отскакивает, а волна может его огибать. Показателен в этом плане эксперимент Томаса Юнга, в котором ученый пропускал свет через две узкие щели. Казалось бы, если фотоны (еще одна элементарная частица, квант света) — это частицы, то они должны проходить через щель и оставлять на экране за ней две полосы. Но оказалось, что полос гораздо больше! Всё это легко объяснимо, если принять, что фотон — это волна, а волнам свойственно огибать препятствия (это явление называется дифракцией). Как рябь на воде огибает камень, так и электромагнитные волны могут «обходить» встречающиеся на их пути преграды.

Какие бывают элементарные частицы

После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны , дополнили список лептонов и открыли кварки .

С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:

• то, что мы видим невооруженным глазом;
• молекулярная структура;
• атомная структура;
• элементарный уровень.

Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.

Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).

Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы

Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.

Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.

Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.

Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.

Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.

I. Фермионы

В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.

Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.

Как устроен атом

Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).

Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.

Кварки — любители ходить в парах

В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.

Лептоны — одиночки

Второй тип фермионов — лептоны , их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).

Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.

Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.

Нейтрино — неуловимые лептоны

Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.

Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.

Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.

Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.

А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.

II. Бозоны

Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.

Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.

Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов

Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.

Выделяют 8 типов глюонов.

Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).

Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).

Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.

Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.

Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.

Составные частицы

Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.

Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.

Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.

Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.

Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.

А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.

Протоны, нейтроны и электроны: строение атомов

В древние времена считалось, что все состоит из земли, воды и воздуха, другого — нет. И сравнительно недавно люди смогли показать всю составляющую нашего мира. Важным вопросом было: что из себя представляет вещество?

Вещество — это материя, которая есть во всех физических телах на нашей планете.

Оно может быть простым и сложным.

Различие этих двух групп состоит в том, что простые вещества состоят из одного вида атомов, а сложные — из нескольких, поэтому впервые в ходе реакций не могут раскладываться на другие атомы, как это делают вторые.

Образцом сложного вещества можно назвать воду (H2O). Если провести химическую реакцию, то оно образует 2 элемента — водород (Н) и кислород (О). То, что получилось, — простые вещества, без последующего разложения.

В 19 веке считалось, что сами элементы не поддаются изменениям и независимы от объединения. Но такие высказывания были опровергнуты русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым, который доказал обратное, при этом указав на то, что качественная характеристика каждого элемента влияет на его атомный вес, из-за чего происходит повтор их свойств. Это умозаключение он олицетворил в своей периодической системе, назвав в честь себя.

Атом — мелкая частица, которая не разлагается в реакции на другие компоненты.

Есть что-то меньше вещества — это атомы.

Атомы можно различать по нескольким параметрам (приведем самые распространенные):

1. Масса;
2. Размер;
3. Физические хар-ки;
4. Химические хар-ки;
5. Энергия;
6. Вес атома.

Любой атом отличается от частицы другого элемента. Если сравнить атом водорода (Н) с атомом кислорода (О), то, очевидно, что у них будет несоответствие по многим характеристикам.

Размер атома

Если сравнить размеры атома и составляющих его частиц, то первый преобладает по своим масштабам. Ядро атома — ничто, по сравнению с ним самим. Взяв один кубический метр платины (Pt) и сплюснув его до такого состояния, где атомные расстояния просто бы исчезли, то он его кубический метр превратился бы в кубический миллиметр.

Из определения атома следует, что это маленькая частица. По форме они напоминают шар, а размер их поперечников составляет стомиллионную долю сантиметра. Чтобы это было нагляднее, рассмотрим поперечник атома водорода (Н), считающийся самым маленьким. Его размер составляет 10-8 доле сантиметра. Большим атомом является уран (U), чья величина составляет 3 х10-8 долей сантиметра.

Масштаб и вес атомов небольшие.

Вес атома

Чтобы посчитать вес какого-либо элемента, принято использовать 0,0625 долю кислорода (О), которая показывает насколько значение этого элемента больше. Если обратиться к таблице Менделеева, то можно увидеть под номерами всех элементов цифру, обозначающую атомный вес. Например, у водорода (Н) он составляет 1,008 (значение округляется, поэтому 1),а у радия — 226,025 (или же 226).Тут можно проследить разницу веса.

На заметку: при работе с периодической таблицей учтите, что если у вещества номер выше, тем вес атома будет больше.

Чаще всего у многих их вес будет дробный. Это объясняется тем, что они вмещают определенное количество частиц со своим весом, но признаки у всех абсолютно идентичны. Но такое не только у атомов. То же самое есть и самих элементов. Их называют изотопами.

Изотопы — химические элементы, занимающие один порядковый номер, но разную массу ядер.

Изотопы есть практически у каждого элемента (у кальция (Са) их целых четыре), при этом, чаще всего, их выводят искусственным путем.

Элементарные частицы

Протоны, нейтроны

Протоны — положительно заряженные части ядра. Заряд равен заряду электрона. Вес составляет 0,0625 грамм.

Нейтроны — нейтральная часть ядра. Чтобы узнать их значение, нужно из атомного веса элемента вычесть значение протонов (= электронов).

Поскольку электроны отделены от своих “напарников”, кружась вокруг них, стоит уделить им отдельное внимание.

Электроны

Электроны — частицы, у которых самый маленький отрицательный электрический заряд.

До настоящего времени считалось, что атомы, разложенные из элементов, являются конечным продуктом. На сегодняшний день эта мысль была развеяна учеными, которые доказали, что даже эти разложенные атомы содержат в себе крохотные молекулы.

Обратимся к одной из гипотез, объясняющую вещественную структуру. Там говорится, что элементный атом — некая совокупность, где есть центр, вокруг которого происходит вращение других крупинок.

Начнем с рассмотрения окраин центра, а именно с электронных уровней и электронов.

Как и говорилось ранее, значение электронов такое же, как и у протонов.

Их можно сравнить с шаром , а диаметр 40 -13 сантиметров (что доказывает свою мизерность по сравнению с обычными атомами).

Электроны способны находиться в бездействии. Их масса при этом составляет 91 -27 грамм. Это подчеркивает скудность инертных свойств, благодаря которым электроны способны быстро вращаться вокруг свой оси.

Масса электрона зависит от его скорости. Поговорив про массу “покоя”, которая есть у всех тел на Земле, нужно посмотреть и на массу “скорости”. Когда электрон занимается перемещением, то он образовывает электромагнитное поле. Оно играет большую роль, ибо именно из-за проявления ее инертных свойств набирается масса и энергия, передавая это все частицам. Сделаем вывод, что ускоренный динамизм этой частицы, приводит к набору его веса.

Но перемещение электронов не происходит ровно. Научно доказано, что эти частицы двигаются волнообразно из-за интерференции и дифракции.

Интерференция электронов — слияние нескольких волн электронов.

Дифракция электронов — волновое обтекание области места, через которое проходит ток.

Помимо того, что электроны двигаются волнами, так еще они крутят вокруг самих себя. Крутящееся и волновое движение говорит о нем (электроне) как о некоем магните.

Все три вида элементарных частиц фигурируют в постоянном обменивающемся контакте. Между электроном и протоном возникает связь, заставляющая их содействовать, поскольку их заряды противоположны, а вот две одинаковые частицы (например, два электрона) отталкиваются, т.к. заряды одинаковы (так же и у протона).

Нахождение частиц у элемента

Найти у какого-либо элемента эти частицы несложно. Разберем это на примере алюминия (Al).

Его порядковый номер — 13, соответственно, это есть ядро. Атомная масса алюминия составляет 26,98154 (значение округляется, поэтому 27). Протоны равны массе заряда (р=13), так же и электроны (е=13). Чтобы узнать значение нейтронов, нужно из атомной массы вычесть значение заряда ядра (n=27-13=14).

Взаимосвязь частиц

Каждая частица имеет свое электрическое поле, через которое оно “соприкасается” с остальными. Такие поля можно обозначить определенной материей, в которой, помимо этих частиц, есть и другие, наполняющие эту материю — фотоны.

Фотон — частица, не имеющая массы. Является переносчиком электромагнитного “общения”.

Все они имеют конкретный запас энергии. Именно через фотоны происходит коммуникация частиц. В такой связи происходит “бартер” фотонами, что служит для хорошей энергетической силы, то есть взаимосвязи частиц.

И в самом ядре происходит “общение” протона и нейтрона, но здесь уже нет электрического поля, поскольку нейтрон его не образовывает. Здесь все проходит при помощи особого поля, исходящего от ядра.

Ядерное поле — вид материи, который состоит из протонов, нейтронов и мезонов.

Мезон — частица, которая способствует взаимодействию протонов и нейтронов, а также влияет на то, чтобы эти частицы оставались в ядре.

Благодаря мезонам, протоны и нейтроны способны внутри своего ядра передавать определенную информацию путем ядерной силы. Ее работа в ядре происходит на определенной дистанции (приблизительно сантиметров).

Ядерная сила — сила влияния протона и нейтрона друг на друга.

Ядерные силы, происходящие внутри ядра, способны делать из протонов нейтроны и наоборот при помощи мезонов.

Можно сказать, что ядерные силы намного мощнее электрических, но вместе они не дают протонам выйти за границы ядра. Несмотря на то, что частицы сопротивляются, объединение двойной силы подавляет их, при этом создавая крепкое ядро. Из-за них и зависит его прочность.

Все три частицы называются элементарными, потому что их невозможно разложить на другие упрощенные элементы, но они могут становиться и образовываться друг из друга.

Химическое строение атомов

Работа электрона

Структура водорода (Н) заслуживает внимания. Это единственный элемент, который содержит в себе две частицы — один протон, находящийся в ядре, и один электрон, вращающийся вокруг него. Но даже тут есть нюанс: у электрона нет определенного барьера, отгораживающего его от окружающей среды.

Путь электрона вокруг ядра достаточно пластичен и поддается изменениям (причиной может стать увеличение массы электрона). А поскольку в ядре и на оболочке противоположно заряженные частицы, то они имеют свойство присоединяться. Но есть один момент: когда отрицательно заряженная частица облетает ядро, то образовывается центробежная сила, которая пытается максимально отдалить частицу. Все эти моменты создают спорную ситуацию.

Получается, что электрон водорода (Н) находится неподалеку от протона, сохраняя минимум своей энергии. Но если какая-либо частица вторгнется в данную схему, и водород (Н) отдалится от ядра, то его энергия станет больше, но не надолго. Дело в том, что электрон все равно будет пытаться вернуться на место, приближенное к ядру. Электрон таким действием (переходом на другую орбиту) предоставил определенную часть своей энергии — лучистой энергии.

Если электрону дадут энергию, то он перейдет на другое место (чем больше энергии, тем дальше от протона). При этом, когда он будет возвращаться к ядру, то будет происходить активная выработка электромагнитной энергии с последующем излучением.

Когда ученые наблюдали за такими переходами этой частицы, они сделали вывод, что как и в любом элементе, так и в водороде (Н) электрон может совершать отойти только на конкретный круг, опираясь на полученное извне питание.Слои, на которых электрон способен перемещаться, называют дозволенными.

Работа протона и нейтрона в ядре

Как говорилось ранее, протон и электрон водорода (Н) — разноименные и аналогичные по значениям, поэтому их совместный заряд составляет — ноль. Из этого выходит, что водород (в обычном его состоянии) — нейтральная частица.

Такой вывод относится ко всем элементам из таблицы Менделеева. Все их атомы в нормальном состоянии нейтральны из-за равновесия разных зарядов.

Вернемся к ядру водорода (Н). Известно, что в нем находится только один протон. Обратимся к массе ядра.

Масса ядра — общее число протонов и нейтронов внутри ядра. Ее можно найти у всех элементов периодической таблицы.

Согласно этому, масса ядра водорода тоже будет составлять один (так как есть 1 протон и полностью отсутствуют нейтроны).

Что говорилось выше, относилось к природному водороду (Н), равному единице. Но существует еще и тяжелый водород (Н) — он же изотоп дейтерий (2H, имеет название тяжелого водорода). Масса равна двум. Если в ядре простого водорода (Н) всего лишь один протон, то у дейтерия — дейтоны.

Дейтон — объединение протона и нейтрона в ядре.

Водород и его изотопы

В природе обычный водород (Н) может вмещать в себя дейтерий, но в очень маленьком количестве (на 6 000 атомов Н один 2H). Но есть еще более тяжелый изотоп водорода (Н) — тритий (³Н, сверхтяжелый водород). В его ядре уже не одна, и не две частицы, а три — два нейтрона и один протон, между которыми есть ядерная сила. Масса трития составляет три. Получается, что он в целых три раза превосходит самый легкий водород.

Несмотря на то, что вес водорода и его изотопов различается, их объединяют некоторые общие свойства. Например, если самый простой водород (Н) вступит в связь с кислородом (О), то получится вода (Н2О). То же самое происходит и в цепи дейтерия ( 2H) и кислорода (О). У этого изотопа тоже на выходе получается вода, но тяжелая, которая пользуется спросом в производстве атомной энергии.

Из примера можно сделать вывод, главную роль в химических свойствах играет электронная оболочка и ее устройство, а не массу ядра. Водород и его изотопы несут в себе разную массу, но общее у них — это электроны возле ядра, которые и сохраняют идентичные свойства.

Водород (Н) взял первое место в менделеевской таблице. Такое решение было неслучайным. Как мы знаем, порядковый номер напрямую зависит от числа заряда ядра. То же самое и у водорода (Н) (номер в таблице — один = заряд ядра — один). Если правильно сказать, то: всякое вещество, занимающее место в периодической таблице Менделеева, имеет свой порядковый номер, соотносящийся заряду ядра и числу электронов на его оболочках.

Из всего сказанного получается, что водород (Н), занимающий первое место, имеет заряд ядра — +1 и один электрон на орбите.

Гелий и его изотопы

На втором месте в таблице стоит гелий (Не). Как и говорилось ранее про все элементы, его номер и заряд ядра однозначны, поэтому второй будет равен +2 (внутри ядра два протона), а оболочка будет содержать два электрона.

Как и все составляющие таблицы, гелий (Не) имеет изотопы. Их целых девять, но самыми стабильными из них считаются легкий и тяжелый, поэтому ими пользуются чаще. Рассмотрим первый.

Легкий гелий (³Не, еще имеет название гелион). Масса его ядра составляет 3, состоит из двух протонов, одного нейтрона и трех электронов на оболочке. Считается, что содержание гелиона в природном гелии 1/1 000 000 тяжелого гелия. Выводится искусственным путем.

Тяжелый гелий (⁴Не). Считается самым востребованным из всех изотопов гелия (Не). Ядро содержит два протона и два нейтрона, а на орбитах расположены четыре электрона.Образовывает около 99% гелия на нашей планете. Есть забавный факт про это вещество: если охладить его (-271 ºС) и поместить в открытую емкость, то этот изотоп вытечет из нее.

Затруднение состава атома в элементе обусловлено возрастанием объема элементарных частиц: протонов и нейтронов в ядре и электронов на оболочке. При помощи таблицы Менделеева можно узнать все эти необходимые данные об элементе (а именно про частицы).

В науке доказано, что легкие элементы имеют большое преимущество: их ядра, содержащие одинаковое количество протонов и нейтронов, считаются самыми крепкими, поскольку ядерная сила превышена, чем у остальных. Рассмотрим тяжелый гелий (⁴Не). В его составе располагаются два протона и два нейтрона, соответственно, у него неплохая прочность, точно так же, как и возникающая сила ядра.

Такие тяжелые вещества содержат разное количество частиц (протонов, нейтронов и электронов), из-за чего в ядре контакт между ними теряется, чего не происходит в легких. В тяжелых элементах возможно расщепить их ядра при разрыве атомных бомб.

Радиоактивные элементы

У тяжелых элементов есть и подразделение радиоактивных. Они отличаются тем, что их ядра настолько непрочны, что они способны самостоятельно расщепляться на отдельные частицы. Радий (Ra) — самый известный радиоактивный химический элемент. Его порядковый номер — 88. Масса атома равна 226 (если быть точнее, то 226,025).

Состав протонов в ядре — 88, а нейтронов — 138. Все они занимаются распадом, где позже они трансформируются в атомы радона (Rn, радиоактивный газ, номер в периодической таблице — 86). Все происходит точно так же: атомы радона (Rn) занимаются распадом, после чего тоже преобразовываясь в другие элементы.

Электронные оболочки

Электронные оболочки — это тоже важная часть, без которой представление какого-то химического элемента просто не было бы. Как было рассмотрено ранее, электроны единственные, кто размещен за ядром, при этом крутится вокруг него, собираясь определенными группами по разным “отсекам”.

Познание с ядрами и их частицами подошло к концу, поэтому теперь стоит уделить внимание тому, что находится за пределами этой главной точки.

Нахождение электронных оболочек и его содержимого

Чтобы определить количество электронных слоев элемента, нужно обратиться к его номеру периода. Например, алюминий (Al) с порядковым номером 13, находится в третьем периоде, поэтому число его слоев равно 3.

Еще одной удивительной характеристикой оболочек является закрепленное число электронов, которые могут находиться на слое. На первой орбите могут расположиться два электрона, на втором — восемь, на третьем — 16 и т.д. (с каждым разом нужно умножать на четыре).

Завершенным считается тот слой, который достиг окончательного предела. Электроны, которые расположены дальше всего от ядра, более активны, поэтому предпочитают вступать в контакт с другими атомами (научно это можно назвать валентностью). Число электронов на внешней оболочке зависит от номера группы. Например, бор (В) имеет заряд — +5, он находится во втором периоде, поэтому количество электронных слоев равно двум. Первый слой равен двум, а второй — трем, поскольку бор (В) находится в 3 группе.

Когда электронный слой полностью заполнен, то он считается стабилизированным. Это говорит о том, что атому не требуется брать дополнительные силы (электроны) из окружающей среды или других веществ. Если взять гелий (Не), у которого два электрона, находящиеся на одной оболочке, а у неона (Ne) электронов десять, располагающиеся на двух электронных слоях(на первом — 2, на втором — 8). Из этого выходит, что и гелий, и неон полностью заполнены, поэтому они не нуждаются в посторонней помощи, так как их оболочки завершенные. Такие элементы являются инертными в химическом плане (не идут на контакт с другими элементами, чтобы “занять” или “обменяться” этими частицами).

Но таких самодостаточных элементов достаточно мало, больше всего тех, где на внешней оболочке будет не хватать электронов, поэтому такие элементы охотнее прибегают к воздействию с другими. Калий (К) имеет 19 электронов, находящихся на четырех слоях (первый — 2, второй — 8, третий — 8, четвертый — 1). Больше всего интересует последняя оболочка. Поскольку там всего лишь один электрон, который очень далеко от ядра, то последнее не в силах удержать электрон, поэтому он с легкостью может перейти к другому элементу.

Если же взять кислород (О), у которого восемь электронов и две электрические оболочки (на первом — 2, на втором — 6). Как видно, второй слой является незавершенным, до предела ему не хватает еще двух частиц. Кислород пытается сохранить недостающее число, а также найти два электрона, чтобы завершить свой последний круг. Это может произойти в реакции с другими элементами, у которых внешний слой тоже является незавершенным и достаточно отдаленным от ядра, чтобы тот, в свою очередь, не пытался что-либо удержать.

Элементы с проблемой недостатка электронов довольно энергичны в реакциях друг с другом, поскольку у них есть потребность в присоединении или отдаче нужного числа электронов.

Распределение электронов по слоям

Размещение электронов на оболочках происходит в установленном для них порядке. Если же получается, что частица изменяет свое местонахождение или число, то электронный слой просто меняется (а именно его физические и химические свойства).

Одинаковое число протонов и электронов в элементе является доказательством того, что общий заряд (электрический) равняется нулю.

Изменение количества двух этих частиц способно привести к тому, что атом преобразуется в электрически заряженный.

Если же у атома возникает проблема с большим объемом электронов, он меняется на отрицательный ион.

Ион — заряженная молекула. Ионы бывают катионами и анионами. Есть во всех веществах.

Катион — положительный ион.

Анион — отрицательный ион.

Хлор (Cl), который вобрал в себя всего лишь один электрон, превращается отрицательным ионом (или же анионом). Такой ион будет считаться однозарядным, так как вместил в себя одну частицу. Писаться он будет уже так: Cl⁻.

Кислороду (О), чтобы стать отрицательным ионом, нужно присоединить два электрона. Он будет считаться двухзарядным. Записываться будет вот так: О⁻.

Когда атом превращается в ион, то для окружающего мира он является системой, которая электрически заряжена, что подразумевает появление определенного электрического поля, объединяющее и сам атом, и все происходящее в его зоне контроля. Это электрическое поле позволяет атому контактировать с другими такими же частицами, имеющими заряженность (ионы, электроны и т.д.).

Как и в остальных случаях, ионы, обладающие разными зарядами, притягиваются химически, что приводит к появлению новых, сложных частиц. Ими считаются молекулы.

Окисление

Степень окисления — заряд элемента, находящегося в соединении, который вычислен путем того, что в соединении ковалентная полярная связь превратилась в ионную.

Частицы в реакциях

Когда происходит химическая реакция, электроны либо объединяются, либо переходят к более отрицательному атому, чтобы стать заряженными.

Если бы вещества состояли только из ионов, то их заряды имели целые числа, которые равнялись бы количеству электронов (отданных или не отданных). Рассмотрим хлорид натрия (NaCl). Хлор (Cl) отнимает у натрия (Na) один электрон, при этом два элемента становятся ионами, но с разными зарядами. Натрий (Na) становится положительным, то есть катионом (записывается Na⁺¹), а хлор (Cl) — отрицательным, то есть анионом (записывается Cl⁻¹). Перейдем к соляной кислоте (HCl).

В этой паре хлор (Cl) считается самым отрицательным в электрическом плане, поэтому все два электрона (от водорода (Н) и от него) больше направлены к хлору (Cl), а если электрон водорода (Н) перейдет к хлору, что заряды будут полными, а не частичными как в первом случае. Правильная запись выглядит вот так: H+1CI-1.

Эти надстрочные значки и являются степенью окисления.

Правила записи степени окисления

Чтобы правильно записать степень окисления, нужно знать несколько правил:

1. Степень окисления располагается над элементом справа;
2. Первым делом записывается знак заряда (плюс или минус), не записывать его нельзя, это считается грубой ошибкой;
3. После знака следует само значение;
4. Даже если степень окисления равна +1 или -1, то она так и записывается без сокращения ( с сокращением, то есть + или -, пишутся только ионы);
5. Заряд ионов записывается над ними справа;
6. На первом месте в написании заряда стоит значение, а уже только потом знак.

Пример степени окисления: H+2O-2

Пример заряда иона: AL3+ii.

Вычисление степени окисления

Вычисление степени окисления проводится по некоторым пунктам, которых стоит придерживаться:

1.Есть элементы, у которых степень окисления неизменна, к ним относятся:

• щелочные металлы (степень окисления всегда +1);
• металлы из 2А группы (+2);
• алюминий (FI+3) и бор (B+3);
• фтор (F-1);
• часто кислород (О) имеет степень окисления — 2, но есть исключение у пероксидов, где у кислорода (О) -1;
• водород (Н). С неметаллами его степень равна +1, с металлами — -2.

2. Остальное в периодической таблице с плавающей степенью. Если рассмотреть хлор (Cl), то его значения нечетны: начиная от -1, заканчивая +7 (сюда входит +1, +3, +5). А вот у серы (S) все наоборот — она имеет лишь четные: от -2 до +6 (входит +2, +4).

Бывает такое, что соединение из трех составляющих. Ни в коем случае нельзя делать так, как в соединении двух элементов. Значение первого и последнего элементов известны, а значение третьего нужно считать по специальной формуле.

Пример

Возьмем Н3РО4 (фосфорная кислота).

Из правила водород (Н) будет +1, а кислород (О) — -2, осталось узнать о фосфоре (Р). Мы должны сложить все известные значения.

Здесь будем использовать уравнение.

(+1) × 3 + Х + (-2) × 4 = 0

Мы знаем, что сумма всех элементов должна быть нулем, поэтому приравниваем весь пример ему. Перед водородом (Н) стоит цифра 3, поэтому его степень умножаем на это число, то же самое и с кислородом (О). Фосфор (Р) у нас неизвестен, поэтому обозначаем его иксом. Дальше решаем обычным уравнением и вписываем полученное значение над ним.

Если говорить про степень окисления и валентность, то это абсолютно разные вещи. Первое имеет отрицательное или нулевое значения, а второе только положительное.

Ключевые мометы

Эта тема переплела два ответвления — физику и химию, показывая всю многогранность нашей природы и взаимосвязь этих наук. Как мы поняли, некоторые моменты до сих пор непонятны нам, но ученые не останавливаются на достигнутом, продвигаясь дальше. Данный предмет обсуждения, находящийся в этой работе — базовые понятия, написанные доступным языком.

Этот материал разбирал такие маленькие, но важные для нас моменты — атомы, которых мы не видим, хотя они влияют на все вокруг, даже на нас самих.

Чтобы лучше усвоить материал, здесь собраны ключевые моменты из текста, требующие особого внимания:

1. Вещества бывают простыми и сложными;
2. Атомы — это неразлагающиеся мелкие частицы;
3. Чем выше порядковый номер у элемента, тем больше его атомный вес;
4. Изотопы — химические элементы под одним порядковым номером, но с разной массой ядер. Есть у любого элемента;
5. У атомов есть частицы (элементарные): протоны, нейтроны, электроны;
6. Протоны — положительно заряженные частицы, находящиеся в ядре;
7. Нейтроны — беззарядные частицы;
8. Электроны — частицы, с самым маленьким отрицательным электрическим зарядом;
9. Значение протона равно значению электрона;
10. Чем быстрее скорость электрона, тем его масса больше;
11. Движение электрона волнообразное, упорядоченное, при этом он вращается;
12. Интерференция электронов — слияние нескольких волн электронов;
13. Дифракция электронов — волновое обтекание области места, через которое проходит ток;
14. Порядковый номер — это заряд ядра;
15. У каждой частицы есть электрическое поле, позволяющее взаимодействовать с другими частицами;
16. Фотон — переносчик электромагнитного “общения” частиц;
17. Ядерное поле — вид материи, который состоит из протонов, нейтронов и мезонов.
18. Мезон — частица, позволяющая протонам и нейтронам контактировать, а также удерживает их внутри ядра ядерной силой;
19. Ядерная сила — сила влияния протона и нейтрона друг на друга;
20. Ядерные силы могут из протонов нейтроны и наоборот при помощи мезонов;
21. Ядерные силы мощнее электрических;
22. Протон, нейтрон и электрон называются элементарными, потому что их невозможно разложить на более простые частицы, но они могут становиться друг другом и образовываться друг из друга;
23. Если электрон отдалится от ядра, то он ненадолго образует энергию, но все равно вернется на свое место, тоже образовывая энергию, переходящую в излучение;
24. Дозволенные слои — орбиты, на которые электрон может переходить;
25. Дейтон — объединение протона и нейтрона в ядре;
26. Легкие элементы считаются лучше, потому что их ядра прочнее из-за одинакового числа частиц;
27. Число электронных слоев = номер периода;
28. У каждой электронной оболочки есть определенное конечное число электронов, которое оно способно вместить;
29. Те элементы, у которых оболочки не полностью заполнены, лучше вступают в контакт с другими элементами;
30. Ион — заряженная молекула.
31. Катион — положительный ион.
32. Анион — отрицательный ион;
33. Степень окисления — заряд элемента, который вычислен путем того, что в соединении ковалентная полярная связь превратилась в ионную;
34. Есть элементы, чья степень окисления постоянна, а есть те, у кого она изменяется;
35. Если сложить все степени окисления в соединении, то всё будет равно нулю.

Короткое, но познавательное видео про элементарные частицы:

Элементарные частицы: нейтроны, протоны, электроны. Действительно элементарные?

Когда речь заходит о том, из чего состоят различные окружающие нас объекты, мы сразу начинаем говорить о молекулах, затем об атомах. А из чего же состоят сами атомы? Так ли просто они устроены, как шарик, который мы видели на уроках химии и физике в школе? На самом деле, все не так уж и просто. Для простоты в самом начале скажем, что абсолютное большинство всех вещей в мире состоит из элементарных частиц. Почему не все? Дело в том, что далеко не вся Вселенная изучена человеком, поэтому мы не можем однозначно сказать, все ли состоит из частиц.

Например, свет — это волна, состоящая из элементарных частиц — фотонов, но раньше наука не могла такое сказать.

Теперь об этих самых частицах. Элементарные частицы — это такие частицы, которые человек сейчас расщепить на более маленькие не может, поэтому пока считается, что из них все и состоит. Таких частиц бывает огромное множество, но сегодня же мы будем больше говорить о наиболее популярных из них, а именно — нейтроны, протоны, электроны.

Где встречаются нейтроны, протоны, электроны?

Почему мы сказали выше, что эти три элементарные частицы считаются наиболее популярными? Все просто — из них состоит абсолютно любой атом. Если говорить об этом чуть более подробно, то атом состоит из двух частей:

• ядро атома
• электроны

В свою же очередь ядро атома включает в себя протоны и нейтроны. Таким образом, атом состоит из трех элементарных частиц, две из которых составляют ядро, а множество третьих вращается вокруг этого ядра.

Классификация элементарных частиц

Чтобы получше разобраться в том, какие бывают элементарные частицы и как они взаимодействуют друг с другом, нам нужно разделить их на группы по принципу схожести определенных свойств. Это и называется классификация. Сейчас все поймете.

Разделим по времени жизни

Делить какие-то там частицы по времени жизни звучит очень странно, ведь это неодушевленные предметы и о жизни здесь речь идти не должна. Вы будете абсолютно правы, имея такую точку зрения. Однако в данном случае имеется в виду не жизнь, как существование живого организма, а скорей пребывание в одном и том же состоянии. Если говорить проще, то не все из элементарных частиц могут сохранять свои свойства в течение большого отрезка времени, поэтому мы и решили их так разделить. Итак, разделить в данном случае можно на две группы:

• стабильные (это те частицы, которые как раз могут очень долго сохранять свойства, некоторые даже говорят бесконечно долго). Сюда относятся электроны, фотоны, протоны и другие частицы)
• нестабильные (а это те, которые через некоторый промежуток времени меняют свои свойства и переходят в другие формы). Сюда относятся все остальные виды частиц.

Разделим по тому, как они взаимодействуют

Интересно, что при довольно схожем строении, разные частицы могут взаимодействовать друг с другом совсем по-разному. Давайте посмотрим, как можно разделить элементарные частицы по такому принципу:

• составные
• бесструктурные

Действительно, частицы тоже бывают составные и фундаментальные (по сути самые простые), и от этого многое зависит. Давайте подробно разберемся с каждым из этих видов.

Составные частицы, которые по-другому еще называются адронами (вы наверняка слышали про Адронный коллайдер в Швейцарии) взаимодействуют со всеми частицами. Такое взаимодействие еще называют фундаментальным. Они в свою очередь тоже подразделяются на мезоны и барионы.

Теперь давайте поговорим о фундаментальных частицах. Здесь все гораздо более интересно, ведь таких частиц в мире открыто великое множество. Давайте для начала узнаем, на какие виды разделяются фундаментальные или же бесструктурные частицы:

• кварки
• лептоны
• калибровочные бозоны

Теперь давайте остановимся на каждом виде отдельно и поговорим о нем более подробно. А начать предлагаем с кварков.

Кварки — это такие частицы, которые находятся в составе адронов. Отдельно их встретить ученым пока не удавалось, только в составе других частиц. Для того, чтобы их изучать, ученым приходится использовать различные хитрые методы. Они подразделяются еще на шесть подтипов, но о них сегодня мы говорить не будем. Интересной особенностью кварков является то, что они, являясь фундаментальными частицами, все же участвуют в сильных взаимодействиях.

Теперь давайте перейдем к лептонам (точечным частицам). Это тоже довольно важный вид бесструктурных частиц. Они в отличие от кварков уже не участвуют в сильных взаимодействиях. Однако именно заряженные лептоны все же могут принимать участие в взаимодействии электромагнитном. Здесь так же, как и в кварках, отмечается целых шесть подтипов.

Ну а теперь последний тип с довольно странным для многих названием — калибровочные бозоны. Это тоже немаловажный тип, ведь именно он служит своего рода посредником в различных взаимодействиях между частицами. Чтобы вам было легче запомнить, приведем несколько примеров таких частиц: фотон, гравитон и глюон.

Ядро протон нейтрон электрон

Отлично, когда мы уже знаем довольно много про то, как устроены остальные элементарные частицы, давайте вернемся обратно к протону, нейтрону и электрону. Теперь самое время поговорить об устройстве ядра атома.

Начнем с того, что в ядре атома собран весь его положительный заряд, который обеспечивается протонами. Несмотря на большой заряд, размеры ядра очень малы по сравнению с электронными орбитами (орбиты, по которым вращается электрон вокруг ядра). В среднем они колеблются от 10 в минус 15 степени до 10 в минус 14 степени. Как мы помним из школьного курса химии количество протонов атома — это номер Z атома и порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Примечательно также то, что количество протонов и электронов в атоме всегда одинаково.

Наверняка вам очень интересно, почему ядро атома, которое тоже состоит из элементарных частиц, такое плотное. Дело в том, что связь между протонами и нейтронами не является ни гравитационной, и электромагнитной, но при этом она в несколько раз сильнее, чем связь между ядром и электроном.

Число протонов нейтронов и электронов

Как мы уже поняли выше, в атоме абсолютно всегда количество протонов и электронов равно. Это обусловлено тем, что заряд должен быть нейтрален, а значит и количество положительных должно равняться количеству отрицательных частиц (отметим, что заряд протона +1, а заряд электрона -1). Также напомним, что количество протонов дает нам порядковый номер в таблице Менделеева этого атома. Теперь поговорим о нейтронах. Можно ли каким-то образом определить их количество внутри атома? Конечно можно. Это можно сделать, зная массу атома и количество протонов. Нужно просто вычесть из массы атома количество протонов и мы получим количество нейтронов (иногда нужно округлять). Для примера возьмем Медь (Cu). Ее атомная масса примерно равна 64, а номер в таблице 29, значит количество нейтронов будет равно 64 — 29 = 35. Все очень просто.

3 протона 3 нейтрона 3 электрона

Теперь для того, чтобы получше разобраться в этой теме, давайте попробуем все понять на примере другого атома. Это, как вы могли уже догадаться, атом Лития. У него 3 протона, 3 нейтрона и 3 электрона. По той формуле, которую мы уже узнали выше, тут сразу можно понять, что примерная масса атома Лития будет равна 6 (3 нейтрона + 3 протона). Также мы сходу можем сказать, что номер Лития в таблице Менделеева тоже 3 (количество протонов).

Теперь давайте посмотрим на таблицу Менделеева, представленную выше. Действительно, у Лития именно 3 номер и масса равна 6,941.

Видите, как все легко и просто. Однако особенно внимательный читатель уже давно заметил ошибку. Действительно, округлив массу Лития мы понимаем, что здесь количество нейтронов будет равно 4. Как же так получается, что у нас 3 нейтрона. Это подводит нас к следующей теме, о которой мы сейчас и поговорим.

Протон изотоп нейтрон электрон

Наверное, на одном из школьных уроков вы слышали такой термин, как изотоп. В школе это была та самая тема, после которой я полюбил естественные науки. Сейчас я не могу дать однозначный ответ, почему, просто было очень интересно. Итак, изотопы.

Что такое изотоп

Если говорить просто, то Изотопы представляют собой измененную модель обычного атома какого-то вещества. То есть возьмем любой атом какого-то вещества. У него есть фиксированное количество электронов, протонов и электронов. Однако, как мы уже заметили выше, это количество может быть и другим благодаря существованию изотопов. У изотопов такой же порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а значит, как мы уже поняли, у них точно такое же количество протонов. Однако, есть отличия в массе элемента, а значит и в количестве нейтронов. Теперь давайте узнаем, как нам пригодится эта информация и как определить, что перед нами изотоп какого-то элемента.

Как определить, что перед нами изотоп

Наверняка самые догадливые и внимательные из вас уже догадались, что обычная формула с определением количества нейтронов с изотопами не работает от слова совсем, ведь это уже измененная модель обыкновенного элемента. Раз так, то мы можем просто попробовать подставить данные по атому в нашу формулу и понять, работает она или нет. Если нет, то перед нами изотоп. Но естественно, для удобства ученые придумали специальные обозначения для изотопов, чтобы нам, обычным людям, было удобнее с ними работать и изучать их. Как же эти обозначения работаю. А очень просто!

У изотопов после названия еще дописывается количество нуклонов в ядре (то есть количество элементарных частиц внутри ядра, сумма протонов и нейтронов). Давайте разберемся на примере очень популярного изотопа урана-235, радиоактивного урана. Обычный же уран по сути называется уран-238.

Зачем нам это знать?

Как вы уже могли понять, все многообразие элементарных частиц не ограничивается таблицей Менделеева и элементами, которые в ней представлены. У некоторых элементов бывает сразу несколько популярных изотопов, поэтому если вы хотите действительно хорошо разбираться в этой теме, то и запоминание всех популярных изотопов не будет лишним. А эта таблица вам в этом поможет:

Отлично, теперь мы уже неплохо разобрались с массой атома, таблицей Менделеева и разобрали основные типы элементарных частиц. Пришло время поговорить о более серьезных вещах. О чем же?

Радиоактивность

Для многих, кто в школе проходил эту тему лишь вскользь, это понятие выглядит очень страшным и непонятным. Кроме того, у многих на ум приходят различные катастрофы, косвенно связанные с этим понятием. Ну кто из вас сейчас не подумал о Хиросиме или о Чернобыле? Однако мы сейчас будем развеивать все эти мифы и стереотипы и хорошенько разберемся в этой далеко не легкой, но при этом очень интересной теме.

Как это работает?

Для того, чтобы разобраться в чем-либо, нужно сначала понять, с чего все начинается. В данном случае все идет от превращения атомов, а точнее от превращения их ядер. Интересно здесь то, что процесс этот самопроизвольный, то есть для того, чтобы он начался, нужно все-таки воздействовать извне, но как только превращения ядер начались, их уже не остановить! Да, далее произойдет именно то, о чем вы думаете. Ядро, с которого и начнется этот необыкновенно интересный с одной стороны и ужасно опасный с другой процесс называется материнским. Соответственно, если радиоактивный процесс затрагивает какое-то ядро помимо материнского, оно будет считаться дочерним, а 2 ядра, между которыми произошел обмен, называют генетически связанными — все как у людей.

Что такое радиоактивный распад?

Разумеется, радиоактивный распад встречается и в природе, однако происходит он крайне редко и не приносит никакого весомого вреда. А вот искусственный распад — штука очень опасная, если уметь ей управлять. Вся суть в том, что самопроизвольно меняется количество элементарных частиц. Существует несколько типов распадов и зависит этот тип от того, какие частицы будет испускать наш атом. Если это будут 2 протона и 2 нейтрона, то это положительно заряженная частица, называемая альфа-частицей. Соответственно, такой распад будет называться альфа-распадом. А вот с бета-частицами все немного посложнее.

Существует сразу 2 типа таких частиц: электроны и позитроны. Если эта частица электрон, то она обязательно образована нейтроном, распавшимся на протон и электрон. Если же эта бета-частица позитрон, то она всегда образована протоном, который распался на нейтрон и электрон. Распад, при котором из атома вылетает бета-частица — это уже бета-распад. Существует еще и менее популярный тип распада (изомерный переход или гамма-распад), при котором из атома вылетают гамма-кванты. Тут все еще сложнее, ведь такой изомерный переход никогда не бывает один. О чем я говорю? Дело в том, что гамма-распад очень часто сопровождают и другие типы распада. Это происходит в тот момент, когда частица распадается в первый раз. На этом этапе могут произойти другие виды распадов, а уж только потом процесс переходит непосредственно к гамма-распаду.

А в природе где это все можно встретить?

Как мы уже сказали выше, в природе тоже встречается радиоактивность. Если немного подумать, то оказывается, что радиоактивны по сути все вещества, у которых нет стабильных изотопов (кто еще не знает, что это, почитайте о них выше). Так вот, ученые пошли еще дальше и подошли к этому вопросу системно. В итоге они получили, что оказывается по таблице менделеева радиоактивны по своей природе вещества, у которых номер 83 или больше. Однако это если мы говорим о тех веществах, которые однозначно радиоактивны.

А ведь встречаются и немного другие. Например среди элементов с атомной массой поменьше встречаются такие, у изотопов которых очень большой период полураспада. Для примера возьмем теллур-128. У обычного теллура номер в таблице Менделеева 52, а значит он не подходит под первую группу, верно? И это неудивительно, ведь его изотоп теллур-128 так стабилен, что его период полураспада примерно в 2 раза больше, чем( 10 в степени 15 миллиардов лет). Неплохо, верно? Спешим вас успокоить, это элемент с самым большим периодом полураспада, но все-таки это очень много, ведь наша земля в миллиарды раз моложе. А для чего нужны все эти цифры? Это как-то практически применимо? Ну конечно, с помощью этих данных можно определять возраст многих минералов, горных пород и даже возраст планет в космосе! А ведь вы еще не знаете, что же такое период полураспада. Давайте разберемся с этим важнейшим понятием.

А что такое период полураспада?

Говоря о том, где можно встретить радиоактивность в природе, мы затронули такой термин, о котором еще не говорили. Что-ж, это неплохой повод, что это сделать сейчас. Так вот, период полураспада — это такое время, за которое частица распадается.

Но почему же именно ПОЛУраспад? Ну да, здесь все не так просто. Если говорить точнее, то это время, за которое она (частица) распадается с вероятностью 50 процентов. Теперь более понятно, верно?

Как вы уже могли догадаться у одной и той же частицы периоды полураспада могут отличаться в зависимости от изотопов. Однако для изотопа частицы это число постоянно.

Заключение

Как вы уже поняли, об элементарных частицах можно говорить очень много и говорить о них можно бесконечно много. Однако на этом наше небольшое вводное повествование о них предлагаем закончить. Если вам понравилась эта статья и вы хотите, чтобы мы публиковали больше материала на эту тему, то не забудьте проявить немного активности ниже. Напомним также, что на нашем сайте есть множество статей на смежные тематики, поэтому предлагаем вам с ними ознакомиться. До скорых встреч!