Почему внутри атома нет света

Если атомы по большей части пустые, почему вещи твердые на ощупь и на вид?

Химик Джон Дальтон предложил теорию, что вся материя и объекты состоят частиц — атомов, — и эта теория до сих пор принята научным сообществом, спустя двести лет. Каждый из этих атомов состоит из невероятно маленького ядра и еще меньших электронов, которые движутся на относительно большом расстоянии от центра. Если представить стол, который в миллиард раз больше, его атомы будут размером с арбузы. Но даже тогда ядро в центре будет все еще слишком маленьким, чтобы его можно было разглядеть, не говоря уж об электронах. Почему же тогда наши пальцы не проходят сквозь атомы? Почему свет не проникает через эти щели?

Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть электроны. К сожалению, в школе нас учили упрощенным понятиям — электроны на самом деле не вращаются вокруг центра атома, как планеты вокруг солнца. Хотя говорили нам именно так. Вместо этого электроны можно представить в виде роя пчел или стаи птиц, отдельные движения которых слишком быстрые, чтобы их можно было уловить, но вы все еще видите общую форму этого роя.

«Танец» электронов

На деле, электроны танцуют — и нет слова лучше, чтобы описать этот процесс. Но это не случайный танец — скорее, бальный танец, в котором электроны движутся по определенным схемам, следуя шагам, установленным математическим уравнением имени Эрвина Шредингера.

Хотя электроны никогда не устают, переход на более быстрый шаг требует энергии. И когда электрон переходит на медленную схему, он теряет энергию. Поэтому когда энергия в виде света падает на электрон, он может поглотить некоторую энергию и перейти к более быстрому, высокому «танцу». Луч света не проходит через ваш стол, потому что электроны во всех атомах пытаются захватить немного энергии у света.

Через некоторое время они теряют полученную энергию, иногда в виде того же света. Изменения в характере поглощения и отражения света дает нам отражения и цвета — поэтому мы видим стол в виде твердого объекта.

Сопротивление при прикосновении

Почему же стол твердый и на ощупь? Возможно, вы слышали, что это происходит из-за отталкивания — что два отрицательно заряженных объекта должны отталкивать друг друга. Но это не так. Твердый он тоже из-за танцующих электронов.

Если прикоснуться к столу, электроны из атомов в ваших пальцах окажутся близко к электронам в атомах стола. И когда электроны в одном атоме приближаются к ядру в другом, схема их танцев меняется. Потому что электрон в низкоэнергетическом состоянии возле одного ядра не может делать то же самое возле другого — это место уже занято. Новоприбывшему приходится переходить в незанятое положение. И избыточную энергию нужно куда-то деть, не в форме света в этот раз, а в форме силы от вашего трогающего пальца.

Поэтому процесс близкого подведения атомов требует энергии, поскольку все их электроны должны перейти в другие, незанятые, высокоэнергетические состояния. Попытка совместить все атомы стола и пальца вместе потребует колоссальное количество энергии — больше, чем могут обеспечить ваши мышцы. Вы чувствуете сопротивление пальца, а стол чувствует твердость вашего тела при прикосновении.

Как запускается атомный реактор, и почему он излучает синее свечение ⁠ ⁠

Многие примерно представляют, как работают атомные реакторы на электростанциях, но вот сама подготовка к запуску и момент этого запуска — это очень интересная тема. Потому что сам момент выхода реактора из подкритического состояния на минимально контролируемый уровень мощности (МКУМ) — это не только очень ответственный процесс, но и весьма эффектный.

Сборка с ТВЭЛами

Здесь следует напомнить, что в реакторе есть тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), который состоят из циркониевых трубок, внутри которых помещены таблетки уранового топлива. Пока эти ТВЭЛы просто лежат, вокруг них можно даже ходить, потому что в таком состоянии цепная реакция невозможна. Другое дело, если эти ТВЭЛы собрать в одном месте в достаточном количестве. В этих таблетках содержится 2 % двуокиси урана 235, и 98 % урана 238, 236, 239.

Кран-манипулятор провозит сборку с ТВЭЛами к реактору

Длина такой циркониевой трубки около 3,5 м, а диаметр около 1,35 см. Эти ТВЭЛы собираются в сборку, а сами сборки помещаются в реактор. Наполнение реактора такими сборками происходит при помощи манипулятора и камеры слежения. Как можно видеть, этот реактор уже почти заполнен. В шахту погружается манипулятор со сборкой ТВЭЛов (тот что слева), а рядом погружена труба с камерой визуального контроля.

Установка сборки с ТВЭЛами в реактор и визуальный контроль

Операторы крана-манипулятора погружает эти сборки с ТВЭЛами по очереди. При этом пустой бассейн выдержки отработавшего ядерного топлива используется как помещение временного хранения этих сборок на достаточном друг от друга расстоянии. Манипулятор берёт сборку и провозит её через зазор в стене между бассейном и реакторной шахтой.

Слева манипулятор, справа камера

Установка сборок в сам реактор — это очень сложный и ответственный процесс. Для этого используется человеко-машинный метод контроля, когда не только всевозможные датчики следят за установкой, но ещё и персонал через видеокамеру. Как можно видеть, в этом реакторе большая часть сборок с ТВЭЛами уже установлены. Ни в коем случае нельзя допустить, чтобы при касании или при ударе обо что угодно эта сборка разошлась, а сами циркониевые стержни с урановым топливом попадали в реактор в зазоры.

Работа манипулятора и камеры с подсветкой

Здесь также нужно отдельно пояснить, что помимо урановых стержней в этих сборках есть ещё и стержни-поглотители нейтронов. Они препятствую запуску цепной реакции, т.к. количества нейтронов и их суммарной энергии недостаточно для запуска процесса цепной ядерной реакции деления.

Надреакторный бассейн и сама шахта реактора заполняются водой

После того, как всё готово к запуску, сама шахта реактора и надреакторная часть бассейна заполняются водой до нужного уровня. Эта вода является первичным теплоносителем, и охладителем и защитой от излучения. Затем уже сам непосредственный пуск реактора начинается с подъёма стержней аварийной защиты в крайнее верхнее положение. Этот процесс проходит медленно и под постоянным контролем состояния реактора.

Вынимаются управляющие стержни, нет никакого свечения

Сейчас реактор выглядит примерно так. После того, как все стержни аварийной защиты вынуты из реактора, начинается постепенный подъём стержней автоматического регулирования. Всё это увеличивает плотность нейтронного потока. После того, как и стержни автоматического регулирования вынуты, начинается работа с компенсирующей группой. По сути это стержни компенсации реактивности реактора.

На определённом этапе работы с реактивностью реактора появляется яркая вспышка. Её спектральный состав лежит больше в сине-фиолетовой зоне видимого света, а также в УФ-части спектра. Зрелище это по истине фантастическое и ни с чем несравнимое. С этого момента реактор считается запущенным. А всё дело в том, что в момент возникновения цепной реакции деления урана появляется большое количество элементарных частиц, у которых достаточно высокая скорость. Но поскольку все эти процессы проходят в воде, то скорость света в ней примерно на 40% ниже, чем в вакууме.

Установившееся свечение реактора

Так вот, некоторые частицы обладают на столько большой энергией, что перемещаются в воде чуть быстрее, чем свет перемещается в этой же воде. Если проводить аналогии, то здесь работает тот же эффект, который порождает ударную звуковую волну при переходе истребителя на сверхзвук. Только здесь вместо воздуха вода, вместо истребителя элементарные частицы, а вместо звука свет. Это излучение было названо излучением Вавилова-Черенкова. А учёные, открывшие этот эффект и объяснившие его природу, были удостоены Нобелевской премии в 1958 году.

Из блога: Пацан к успеху шёл

1) Машина перегрузочная не является краном по классификации атомщиков.

2) Из интересного. Сухая загрузке ТВС относительно простая операция. Все веселье происходит при выгрузке из АЗ (активная зона) и перестановке внутри АЗ. Камера необходима для визуального контроля серийного НОМЕРА ТВС, чтоб не переставить лишнего. Иногда такой номер хер разберёшь и операторы МП проходят «капчу» 🙂 Иногда ТВС после отработки скручивает так, что она не хочет вставать хвостовиком в стакан и тогда опять операторы МП творят чудеса.

3) Рабочая штанга имеет на конце фиксатор который закрывается вращением и его физически нельзя открыть не поставив ТВС на поверхность.

4) Современные СУМП имеют автоматические режимы перегрузки топлива, при котором оператору необходимо только подтверждать серийники ТВС а автоматика-э 😉 сама все сделает.

5) На портале МП стоят видеокамеры по проще (в плане защиты от радиации) и когда полярный кран (его видно на видео, мужик им управляет) тащит какую ни будь фонящую херовину то на ТВ изображении с этих камер можно увидеть помехи — это радиация влияет на электронику.

СВЕТ И АТОМЫ ПОЧЕМУ АТОМЫ СВЕТЯТСЯ?

Вет рождается в веществе. Таково происхождение и види­мого света, и инфракрасного, и ультрафиолетового, и рентге­новских излучений, и гамма-излучений. Естественно, что, изучая свойства света, можно в конечном счёте узнать, как

Атомы излучают свет, и таким путём проникнуть в тайну

Строения атомов. Недаром Д. И. Менделеев говорил, что свет «обещает многое выяснить в области атомов и частиц».

В конце XIX столетия физикам казалось, что они знают, как образуется свет в атомах: в результате колебания элек­трических зарядов. Ведь именно так образуются радиоволны. Чтобы получить радиоволны, мы создаём электрические коле­бания, например при искровом разряде. А ведь атомы тоже

Излучают электромагнитные волны, только частота (длина волны) этих волн не такая, как у радиоволн. Можно пред­положить, что и в атомах есть электрические заряды и, когда заряды движутся, атомы испускают свет.

Физики, конечно, стремились убедиться в этом опытным пу­тём. Идея опыта была очень проста. Надо попытаться изменить характер движения зарядов в атоме, а это должно сказаться на частоте излучаемого света.

Изменить характер движения заряда в атоме — дело вполне возможное. Для этого можно, например, поместить излучающее вещество между полюсами очень сильного маг­нита. Магнит подействует на заряды, движущиеся внутри атомов, и изменит характер их движения. Тогда надо наблю­дать, чтб делается с линиями спектра, который испускается данным веществом. Это был трудный опыт. Он дал опреде­лённый результат лишь тогда, когда физики научились соз­

Рис. 22. Расщепле­ние одной из линий цинка на три под влиянием сильного магнитного поля.

Давать сильные магнитные поля и стали применять диффрак — дионные решётки, широко разбрасывающие спектр лучей. Опыт показал, что магнитное поле действительно изменяет излучение: каждая линия в спектре под действием сильного магнитного поля расщепляется при одних условиях на две, при других — на три

(рис. 22), Тем самым было доказано, что свет рождается в результате движения электрических зарядов в атомах.

Это было в 1896 году. Уже тогда

Расчёты показали, что заряды, движущие­ся в атоме,— это электроны, мельчай­шие частицы вещества, обладающие от­

Рицательным электрическим зарядом[1]).

Итак, опыты по расщеплению спек­

Тральных линий в магнитном поле приве­ли к надёжному выводу: источником излу­чения является движение электронов в атомах. Но многое оставалось ещё неясным. Неясно было, почему каждый атом даёт свой спектр. Чтобы решить этот вопрос, необходимо

Было проникнуть в недра атомов, узнать, как атомы построены. Это удалось сделать только в начале нашего столетия.

Опыты показали, что внутри каждого атома находится очень маленькое положительно заряженное ядро. В нём со­средоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра обращаются электроны. При сильном нагревании, при освещении и в некоторых других случаях атомы могут терять один или

Несколько электронов. Такие атомы называются ионами. Они имеют положительный заряд. Однако в обычном состоя­нии атомы, как мы знаем, не заряжены, а это значит, что поло­жительный заряд их ядра равен сумме зарядов электронов [2]).

Исследуя атомы различных элементов, физики установили ещё одно важное их свойство: чем тяжелее атом, тем больше заряд его ядра, тем больше у атома и электронов. Заряд ядра у водородного атома равен единице. И вокруг этого ядра обращается один электрон.

Заряд ядра и число электронов у гелия равны 2, у ли­тия 3 и т. д.

Заряд ядра и число электронов у атома каждого эле­мента в точности совпадают с тем порядковым местом, ко­торое этот элемент занимает в таблице Менделеева.

Что у атома внутри

Слово «атом» по-гречески значит ‘неделимый’. Ещё древние греки придумали идею, что всё на свете, как из кирпичиков, сложено из крошечных «кусочков» — атомов. Но это было лишь одно из возможных предположений. Что это за кусочки и существуют ли они, никто не знал до XIX века, когда химики разобрались, что такое молекула, и составили список видов атомов — таблицу химических элементов 1 .

А в самом конце XIX века вдруг выяснилось, что атом вовсе не неделимый! Он состоит из крошечного тяжёлого ядра и очень лёгких электронов, крутящихся вокруг. Потом оказалось, что и ядро можно разделить на части (хотя и очень трудно!): оно состоит из двух очень похожих видов частиц — протонов и нейтронов. Их массы почти равны, а у электрона масса почти в 2000 раз меньше (соотношение примерно как между человеком и мышкой).

Главное различие между этими частицами в том, что протоны притягивают электроны (и сами к ним притягиваются). А два протона (или два электрона) отталкиваются друг от друга с такой же силой. Эти силы называются электрическими. Нейтроны же вовсе не притягивают электроны, да и между собой и с протонами хоть и взаимодействуют, но совсем по-другому (про это мы скажем чуть ниже): в электрическом взаимодействии они не участвуют.

Договорились считать 2 , что у протонов положительный электрический заряд, у электронов — отрицательный. А у нейтронов электрический заряд — ноль. Получается правило: одинаковые по знаку заряды отталкиваются, заряды разного знака — притягиваются.

Не путайте электрическую силу с гравитационным притяжением! В самом деле, все тела, имеющие массу, притягивают друг друга. Но эта сила крошечная даже для таких «средне-тяжёлых» тел, как, например, мы с вами. Большая она только тогда, когда одно из тел очень тяжёлое — звезда, планета или хотя бы астероид. А сила гравитационного притяжения протонов (и тем более протона и электрона) ничтожна.

Электрическая сила, напротив, очень велика: если бы можно было закрепить в каком-то месте протон (и воздух, конечно, убрать), а в трёх сантиметрах над ним поместить другой протон, то второй протон не упал бы вниз, а полетел бы вверх — отталкивание одного протона сильнее гравитационного притяжения всей Земли!

Обычно вещи вокруг нас не имеют электрического заряда — в них столько же электронов, сколько и протонов. Но от некоторых атомов электроны довольно легко отрываются. И вот если отодрать от атомов одного предмета тысячу или миллион-другой электронов и «прицепить» к атомам другого предмета, эти два предмета окажутся заряжены: один — положительно (в нём протонов больше, чем электронов), а другой — отрицательно (в нём лишние электроны). А ведь тысяча протонов, если они рядом, притягивают каждый электрон в тысячу раз сильнее, чем один протон. И начнут эти два предмета притягиваться друг к другу. Случалось вам видеть что-нибудь похожее? Например, когда вы старательно причёсываетесь пластмассовой расчёской, а волосы сами собой поднимаются ей навстречу?

И ещё. В отличие от, например, животных одного вида, которые всё-таки немножко отличаются друг от друга, все протоны (или все нейтроны, или электроны) совершенно одинаковы. Так что, например, электрон, «потерявший» свой атом, уже не сможет найти его среди других таких же.

Задача 1

Взяли две пары маленьких незаряженных шариков. В первой паре от атомов одного шарика «оторвали» 100 электронов и «посадили» их на второй шарик. Во второй паре то же самое сделали с тысячей электронов. Потом шарики в каждой паре разнесли на одно и то же довольно большое расстояние. (Пары далеко друг от друга, гораздо дальше, чем шарики в каждой паре.) Будут ли шарики каждой пары притягиваться или отталкиваться? В какой паре сила их взаимодействия больше и во сколько раз?

Шарики каждой пары притягиваются, во второй паре притяжение сильнее в 100 раз. Действительно, во втором случае «без электрона» осталось 1000 протонов, в 10 раз больше, чем в первом. Они притягивают каждый «убежавший» электрон в 10 раз сильнее. Но и «убежавших» электронов во втором случае в 10 раз больше! Значит, суммарная действующая на них сила отличается в 100 раз.

Заметим, что остальные, «неразлучённые» протоны и электроны тоже притягивают или отталкивают каждую заряженную частицу, но их действие скомпенсировано: с какой силой протон притягивает, с такой же электрон рядом с ним отталкивает, или наоборот.

Электрическое притяжение к протонам и держит электроны в атоме, не даёт им улететь. Как мы вскоре убедимся, оно же скрепляет атомы в молекулы. Но не только! Оно же заставляет молекулы одних тел действовать на молекулы других. Если не считать силы гравитационного притяжения, с которой все мы знакомимся с детства (глядя, как падают на пол выпущенные из руки игрушки), все остальные наблюдаемые нами физические явления вызваны как раз электрической силой. Упругость пружины, трение, прилипание разных вещей друг к другу или, наоборот, их взаимное отталкивание — за всё это отвечает взаимодействие электронов одних атомов с ядрами и электронами других.

Но вернёмся к нашим атомам. В нормальной ситуации атом электронейтрален, то есть не имеет заряда: у него электронов столько, сколько протонов в ядре. Если это не так (например, кто-то похитил у атома электрон или атом где-то захватил себе чужой), такой «калечный» атом называется ионом. Тогда он заряжен — положительно, если электронов не хватает, и отрицательно, если есть лишние.

Протоны притягивают к себе электроны и заставляют их вертеться вокруг ядра, не улетая далеко. А нейтроны в электрическом взаимодействии не участвуют. Зачем же они тогда нужны? Затем, чтобы «склеивать» протоны в ядре — ведь протоны отталкиваются друг от друга электрическими силами, и без нейтронов они бы разлетелись в разные стороны! Силы, которыми нейтроны удерживают протоны вместе, — уже не электрические. Они действуют только на очень маленьких расстояниях — внутри ядра 3 .

Теперь можно догадаться, чем отличаются друг от друга разные сорта атомов: у них разное количество электронов. И, соответственно, протонов в ядре. Номер элемента в таблице Менделеева (число, написанное крупно в правом верхнем углу каждой клетки) — это число протонов в атомах этого элемента. А как узнать количество нейтронов? По массе атома, ведь массы протонов и нейтронов равны! Например, в атоме водорода — самом маленьком и самом лёгком — всего один протон. А в ядре атома гелия два протона, и при этом атом гелия в 4 раза тяжелее атома водорода. Электроны не в счёт — значит, в ядре гелия 2 нейтрона!

Масса атома — в единицах массы водорода — написана в каждой клетке внизу 4 . Легко убедиться, что у нетяжёлых атомов нейтронов примерно столько же, сколько протонов. А у тяжёлых — нейтронов больше: всё труднее становится удерживать всю эту громоздкую конструкцию.

Но почему эта масса нецелая? Не может же, например, у хлора быть 18 с половиной нейтронов? Конечно, нет. Просто это значит, что в природе бывают атомы с 17 электронами, 17 протонами и 18 нейтронами, а бывают такие, у которых электронов и протонов столько же, а число нейтронов отличается. И те и другие — атомы хлора, ведь электронов и протонов столько же. Такие «подвиды» атомов одного вида называют изотопами. В таблице Менделеева написана средняя масса атомов каждого вида (с учётом распространённости их изотопов).

В большинстве клеток средняя масса близка к целому числу. Это значит, что, как правило, в природе больше всего какого-то одного изотопа атомов каждого вида, а атомы с другим количеством нейтронов встречаются не так уж часто. Почти всегда можно не обращать на них внимания и округлять массу до ближайшего целого числа.

Когда хотят уточнить, какой именно изотоп имеется в виду, заряд ядра и его массу пишут прямо рядом с названием элемента: например, \(<>^<1>_<1>\mathrm\) — обычный водород; \(<>^<2>_<1>\mathrm\) — тяжёлый водород, он же дейтерий; \(<>^<3>_<1>\mathrm\) — сверхтяжёлый водород, тритий.

Ну-ка, проверим — всё ли понятно?

Задача 2

Сколько у атома \(<>^<12>_<6>\mathrm\) электронов, протонов и нейтронов? А у атома \(<>^<23>_<11>\mathrm\)? А у атома \(<>^<197>_<79>\mathrm\)? У каких атомов 30 нейтронов? (Считаем только основные, самые распространённые изотопы каждого элемента.)

\(<>^<12>_<6>\mathrm\) — 6 электронов, 6 протонов, 6 нейтронов; \(<>^<23>_<11>\mathrm\) — 11 электронов, 11 протонов, 23−11 = 12 нейтронов; \(<>^<197>_<79>\mathrm\) — 79 электронов, 79 протонов, 197−79 = 118 нейтронов; у марганца \(<>^<55>_<25>\mathrm\) и железа \(<>^<56>_<26>\mathrm\).

Задача 3

Если 1 кг воды «расщепить» на кислород и водород, сколько получится граммов газа кислорода?

В молекуле воды на каждый атом кислорода приходится 2 атома водорода. Но в атоме кислорода 8 протонов + 8 нейтронов, он весит в 16:2 = 8 раз больше, чем оба эти атома водорода, вместе взятые (в них ведь всего по одному протону). Значит, на атомы кислорода приходится 8/9 всей массы воды. Когда атомы кислорода «отцепятся» от атомов водорода и «слепятся» по два в молекулы кислорода О₂, их суммарная масса останется прежней: 8/9 кг.

Задача 4

Во что превратится атом кислорода \(<>^<16>_<8>\mathrm\), если добавить в его ядро один нейтрон? А если убрать один протон?

Если добавить нейтрон, получится тяжёлый изотоп кислорода, \(<>^<17>_<8>\mathrm\). А вот если убрать один протон, получится 7 протонов в ядре — это уже не кислород, а азот, хотя и тяжёлый его изотоп \(<>^<15>_<7>\mathrm\). Если при этом ни один электрон не улетит, это будет к тому же отрицательно заряженный ион: электронов больше, чем протонов. Впрочем, появление нового или потеря одного из имеющихся электронов случается с атомами гораздо чаще, чем изменение состава ядра.

Задача 5

У хлора два распространённых изотопа. Более редкий из них имеет 20 нейтронов. Во сколько раз изотопов хлора-37 в природе меньше, чем изотопов хлора-35?

Если бы был только изотоп \(<>^<35>_<17>\mathrm\), масса всех атомов составляла бы 35 масс протона (или нейтрона). В среднем, как мы видели из таблицы Менделеева, на каждый атом хлора приходится примерно 35,5, то есть 0,5 «лишних» нейтрона. А в каждом атоме тяжёлого изотопа \(<>^<37>_<17>\mathrm\) два лишних нейтрона. Значит, чтобы в среднем была половина, тяжёлым должен быть каждый четвёртый атом.

(Более аккуратный подсчёт по указанному в таблице значению средней массы, (35,45−35):2 = 0,225, не даёт более точной оценки — ведь есть ещё другие изотопы хлора. Хоть их и совсем мало, но точнее сосчитать они помешают.)

Итак, изотоп \(<>^<37>_<17>\mathrm\) составляет около 1/4 всего имеющегося в природе хлора, а \(<>^<35>_<17>\mathrm\) — остальные 3/4. Поэтому изотопа \(<>^<37>_<17>\mathrm\) в 3 раза меньше.

Контрольная задача

Есть 3 списка: 1) азот, никель, алюминий, железо, медь, гелий; 2) вода, метан, поваренная соль, спирт, сахар, аспирин; 3) дерево, воздух, бумага, нефть, водка, гранит. Что общего в материалах внутри каждого списка и в чём отличие списков друг от друга? По какому принципу собраны эти списки?

В первом списке молекулы состоят из одинаковых атомов (атомов только одного вида); во втором — каждая молекула состоит из разных атомов, но все молекулы одинаковы. В третьем — вещества состоят из смеси молекул разных видов.

Художник Мария Усеинова

1 А разобрались ли вы? Для проверки и чтобы понять, как непросто было до всего этого догадаться, предлагаем вам решить «контрольную задачу» в конце статьи.

2 Вообще-то, когда договаривались, про электроны и протоны ещё ничего не знали — это было лет за 150 до их открытия. Тогда положительным назвали заряд, который получается на стекле, если его потереть шёлковой тряпочкой. Теперь мы знаем, что электроны со стекла «убегают» на шёлк.

3 Зато на этих маленьких расстояниях они очень большие — надо ведь «победить» электрическое отталкивание! Поэтому они так и называются — «сильные силы» (strong force), сильное взаимодействие.

4 Тут мы чуть-чуть обманываем читателя, но это не беда: дальше придётся обманывать ещё сильнее.