| Название, обозначение | Заряд | Масса | Спин ед. ħ | ||
| ед. СГСЕ | Кл | а. е. м. | кг | ||
| Протон, p | +1 | +1,6×10-19 | 1,00727647 | 1,6726485×10-27 | ±1/2 |
| Нейтрон, n | 1,00866501 | 1,6749543×10-27 | ±1/2 | ||
| Электрон, e | -1 | -1,6×10-19 | 0,00054858 | 9,109534×10-31 | ±1/2 |
| Позитрон, е+ | +1 | +1,6×10-19 | 0,00054858 | 9,109534×10-31 | ±1/2 |
Позитрон – это антиэлектрон; он обладает точно такими же характеристиками, как и электрон, но представляет антивещество, которое при контакте с веществом полностью уничтожается (аннигилирует), с полным превращением всего вещества и антивещества в энергию в виде излучения.
Элементарные частицы лишены индивидуальных черт, это универсальные «кирпичики», из которых построены атомы всех химических элементов. В свою очередь, из атомов состоят все вещества (соединения) – от металлов и кристаллов алмаза до определяющих нашу индивидуальность молекул ДНК.
Электроны и протоны – стабильные частицы. Свободный нейтрон – нестабилен, распадается на протон и электрон (об этом в подразд. 1.4).
Вследствие ядерных сил(в физике принят термин сильные взаимодействия), действующих на очень малых расстояниях (менее 10-15 м), протоны и нейтроны (эти тяжелые частицы объединяют термином нуклоны) могут объединяться в атомные ядра. В свою очередь, положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны образуют удерживаемые вместе электрическими силами атомы. Хотя эти силы значительно слабее, они действуют на бóльших расстояниях, чем ядерные.
Приблизительный размер атома 10-10 м, или 1 Å. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, имеет размер всего примерно 10-14 м и занимает только ~10-10 % объема атома, но содержит более 99,95 % массы атома. Бóльшую часть пространства в атоме занимает электронная оболочка, содержащая в нейтральном атоме столько же электронов, сколько имеется в ядре протонов. Электронное строение атома рассматривается в разд. 2.
Как правило, атомные ядра и атомы – устойчивые образования, чтобы разрушить их, требуется затратить энергию. Ядерные силы превосходят электростатические взаимодействия между электронами и ядром на несколько порядков, поэтому для разрушения ядер требуется гораздо бóльшая энергия (примерно 1000 МэВ[*]), чем для разрушения атомов (примерно 1000 эВ). Соответственно при образовании стабильных ядер из элементарных частиц выделяется примерно на шесть порядков бóльшая энергия, чем при образовании атомов из ядер и электронов.
Энергия и масса любой частицы связаны уравнением Эйнштейна E = mc2 (2)
(c – скорость света). Следовательно, если известна выделяющаяся при образовании атомного ядра энергия, можно рассчитать, насколько масса ядра будет меньше суммы масс составляющих ядро нуклонов: Dm = DE/c2.
Это изменение массы Dm = Zmp + Nmn – MЯ, где Z и N – количество протонов и нейтронов в ядре, mp, mn, MЯ – массы протона, нейтрона и ядра соответственно, называется дефектом масс. В случае состоящего из двух протонов и двух нейтронов ядра гелия Dm = (2·1,67265 + 2·1,67495 – 6,64679)·10-27 кг = 0,0484·10-27 кг, что составляет примерно 0,7 % от полной массы покоя этого ядра, т. е. достаточно большую величину, которую нельзя не учитывать. Энергия связи ядра равна 0,0484·10-27 кг´(3,00·108 м/с)2 = 4,36·10-12 Дж = = 28,1 МэВ, или примерно 7 МэВ на один нуклон.
Строго говоря, любые процессы с выделением или поглощением энергии должны сопровождаться и изменением массы; но величина этих изменений обычно (например, при любых химических процессах) незначительна; так, характерные величины изменения энергии для химических реакций составляют не более 10 эВ или 1,6·10-18 Дж на реагирующую частицу (сравните с приведенными выше величинами – они отличаются примерно в миллион раз, отсюда традиционное выражение мощности ядерных боеприпасов в Мт тротила). Соответственно и относительное изменение массы при химических реакциях составляет всего лишь менее чем 10-6 % , что невозможно зафиксировать, да и не важно для описания и понимания химических процессов.
Полное превращение массы покоя в энергию образующихся фотонов возможно при взаимодействии (аннигиляции) пары частица–античастица (электрон–позитрон, нейтрон–антинейтрон и т. п.).
Вопросы для самопроверки
1. Чем отличаются протон и нейтрон?
2. Какой заряд имеет антипротон?
3. Различимы ли электроны? протоны? атомные ядра?
4. Оцените плотность вещества в атомном ядре, в г/см3.
5. Из сравнения массы нейтрона и суммы масс протона и электрона определите, сопровождается ли превращение n ® p + e выделением или поглощением энергии.
6. Оцените (в Мт тротила) мощность «гипербомбы», основанной на аннигиляции 1 кг вещества и антивещества.
7. Сравните порядки величин сил различной природы, возникающих между двумя протонами в ядре: тяготения, электрического отталкивания и ядерных (при необходимости используйте школьный учебник физики).