Що таке протони нейтрони та електрони. Ст.3 Атомна будова речовин

Як зазначалося, атом складається з трьох видів елементарних частинок: протонів, нейтронів і електронів. Атомне ядро ​​- центральна частина атома, що складається з протонів та нейтронів. Протони та нейтрони мають загальну назву нуклон, в ядрі вони можуть перетворюватися один на одного. Ядро найпростішого атома – атома водню – складається з однієї елементарної частинки – протона.

Діаметр ядра атома дорівнює приблизно 10-13 – 10-12 см і становить 0,0001 діаметра атома. Однак практично вся маса атома (99,95-99,98%) зосереджена в ядрі. Якби вдалося отримати 1 см3 чистої ядерної речовини, маса її становила б 100-200 млн.т. Маса ядра атома у кілька тисяч разів перевищує масу всіх електронів, що входять до складу атома.

Протон- Елементарна частка, ядро ​​атома водню. Маса протона дорівнює 1,6721 х 10-27 кг, вона в 1836 разів більша за масу електрона. Електричний заряд позитивний і дорівнює 1,66 х 10-19 Кл. Кулон - одиниця електричного заряду, що дорівнює кількості електрики, що проходить через поперечний переріз провідника за час 1с при незмінній силі струму 1А (ампер).

Кожен атом будь-якого елемента містить у ядрі кілька протонів. Це постійне для даного елемента і визначає його фізичні та хімічні властивості. Тобто, від кількості протонів залежить, з яким хімічним елементом ми маємо справу. Наприклад, якщо в ядрі один протон – це водень, якщо 26 протонів – це залізо. Число протонів в атомному ядрі визначає заряд ядра (зарядове число Z) та порядковий номер елемента в періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва (атомний номер елемента).

Нейтрон- Електрично нейтральна частка з масою 1,6749 х 10-27кг, в 1839 разів більше маси електрона. Нейрон у вільному стані - нестабільна частка, він самостійно перетворюється на протон з випромінюванням електрона та антинейтрино. Період напіврозпаду нейтронів (час, протягом якого розпадається половина первісної кількості нейтронів) дорівнює приблизно 12 хв. Однак у зв'язаному стані всередині стабільних атомних ядер він стабільний. Загальне число нуклонів (протонів та нейтронів) в ядрі називають масовим числом (атомною масою – А). Число нейтронів, що входять до складу ядра, дорівнює різниці між масовим і зарядовим числами: N = A - Z.

Електрон- елементарна частка, носій найменшої маси - 0,91095х10-27г та найменшого електричного заряду - 1,6021х10-19 Кл. Це негативно заряджена частка. Число електронів у атомі дорівнює числу протонів у ядрі, тобто. атом електрично нейтральний.

Позитрон- елементарна частка з позитивним електричним зарядом, античастка по відношенню до електрона. Маса електрона та позитрону рівні, а електричні заряди рівні за абсолютною величиною, але протилежні за знаком.

Різні типи ядер називають нуклідами. Нуклід - вид атомів з цими числами протонів та нейтронів. У природі існують атоми одного й того самого елемента з різною атомною масою (масовим числом):
, Cl і т.д. Ядра цих атомів містять однакову кількість протонів, але різне число нейтронів. Різновиди атомів одного і того ж елемента, що мають однаковий заряд ядер, але різне масове число називаються ізотопами . Маючи однакову кількість протонів, але відрізняючись числом нейтронів, ізотопи мають однакову будову електронних оболонок, тобто. дуже близькі хімічні властивості і займають те саме місце в періодичній системі хімічних елементів.

Позначають символом відповідного хімічного елемента з розташованим згори зліва індексом А - масовим числом, іноді зліва внизу наводиться також число протонів (Z). Наприклад, радіоактивні ізотопи фосфору позначають 32Р, 33Р або Р і Р відповідно. При позначенні ізотопу без вказівки символу елемента наводиться масове число після позначення елемента, наприклад, фосфор - 32, фосфор - 33.

Більшість хімічних елементів має кілька ізотопів. Крім ізотопу водню 1Н-протию, відомий важкий водень 2Н-дей-терій та надважкий водень 3Н-тритій. У урану 11 ізотопів, у природних сполуках їх три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протони і відповідно 146,143 та 141 нейтрон.

В даний час відомо понад 1900 ізотопів 108 хімічних елементів. З них до природних відносяться всі стабільні (їх приблизно 280) та природні ізотопи, що входять до складу радіоактивних сімейств (їх 46). Інші відносяться до штучних, вони отримані штучним шляхом внаслідок різних ядерних реакцій.

Термін «ізотопи» слід застосовувати тільки в тих випадках, коли йдеться про атоми одного й того самого елемента, наприклад, вуглецю 12С і 14С. Якщо маються на увазі атоми різних хімічних елементів, рекомендується використовувати термін «нукліди», наприклад радіонукліди 90Sr, 131J, 137Cs.

Атом - це найменша частка хімічного елемента, що зберігає його хімічні властивості. Атом складається з ядра, що має позитивний електричний заряд, та негативно заряджених електронів. Заряд ядра будь-якого хімічного елемента дорівнює добутку Z на e де Z - порядковий номер даного елемента в періодичній системі хімічних елементів, е - величина елементарного електричного заряду.

Електрон- це дрібна частка речовини з негативним електричним зарядом е=1,6·10 -19 кулона, прийнятим за елементарний електричний заряд. Електрони, обертаючись навколо ядра, розташовуються на електронних оболонках, L, М і т. д. К - оболонка, найближча до ядра. Розмір атома визначається розміром його електронної оболонки. Атом може втрачати електрони та ставати позитивним іоном або приєднувати електрони та ставати негативним іоном. Заряд іона визначає кількість втрачених чи приєднаних електронів. Процес перетворення нейтрального атома на заряджений іон називається іонізацією.

Атомне ядро(Центральна частина атома) складається з елементарних ядерних частинок - протонів і нейтронів. Радіус ядра приблизно в сто тисяч разів менший за радіус атома. Щільність атомного ядра дуже велика. Протони- це стабільні елементарні частинки, мають одиничний позитивний електричний заряд і масу, в 1836 разів більшу, ніж маса електрона. Протон є ядро ​​атома найлегшого елемента - водню. Число протонів в ядрі дорівнює Z. Нейтрон- це нейтральна (яка не має електричного заряду) елементарна частка з масою, дуже близькою до маси протона. Оскільки маса ядра складається з маси протонів і нейтронів, число нейтронів в ядрі атома дорівнює А - Z, де А - масове число даного ізотопу (див. ). Протон і нейтрон, що входять до складу ядра, називаються нуклонами. У ядрі нуклони пов'язані особливими ядерними силами.

В атомному ядрі є величезний запас енергії, що вивільняється при ядерних реакціях. Ядерні реакції виникають при взаємодії атомних ядер з елементарними частинками або ядрами інших елементів. Внаслідок ядерних реакцій утворюються нові ядра. Наприклад, нейтрон може переходити у протон. І тут з ядра викидається бета-частка, т. е. електрон.

Перехід у ядрі протона в нейтрон може здійснюватися двома шляхами: або з ядра випускається частка з масою, що дорівнює масі електрона, але з позитивним зарядом, звана позитрон (позитронний розпад), або ядро ​​захоплює один з електронів з найближчої до нього К-оболонки (К -захоплення).

Іноді ядро, що утворилося, має надлишок енергії (перебуває в збудженому стані) і, переходячи в нормальний стан, виділяє зайву енергію у вигляді електромагнітного випромінювання з дуже малою довжиною хвилі - . Енергія, що виділяється при ядерних реакціях, практично використовують у різних галузях промисловості.

Атом (грец. atomos - неподільний) найменша частка хімічного елемента, що має його хімічні властивості. Кожен елемент складається з атомів певного виду. До складу атома входять ядро, що несе позитивний електричний заряд, і негативно заряджені електрони, що утворюють його електронні оболонки. Величина електричного заряду ядра дорівнює Z-e, де е - елементарний електричний заряд, що дорівнює за величиною заряду електрона (4,8·10 -10 ел.-ст. од.), і Z - атомний номер даного елемента в періодичній системі хімічних елементів (см .). Так як неіонізований атом нейтральний, то число електронів, що входять до нього, також дорівнює Z. До складу ядра (див. Ядро атомне) входять нуклони, елементарні частинки з масою приблизно в 1840 разів більшої маси електрона (рівною 9,1 · 10 - 28 г), протони (див.), позитивно заряджені, і не мають заряду нейтрони (див.). Число нуклонів в ядрі називається масовим числом і позначається буквою А. Кількість протонів в ядрі, що дорівнює Z, визначає число електронів, що входять в атом, будова електронних оболонок і хімічні властивості атома. Кількість нейтронів у ядрі дорівнює А-Z. Ізотопами називаються різновиди одного й того самого елемента, атоми яких відрізняються один від одного масовим числом А, але мають однакові Z. Таким чином, в ядрах атомів різних ізотопів одного елемента є різне число нейтронів при однаковій кількості протонів. При позначенні ізотопів масове число записується А зверху від символу елемента, а атомний номер внизу; наприклад, ізотопи кисню позначаються:

Розміри атома визначаються розмірами електронних оболонок і становлять для Z величину порядку 10 -8 см. Оскільки маса всіх електронів атома в кілька тисяч разів менше маси ядра, маса атома пропорційна масовому числу. Відносна маса атома даного ізотопу визначається по відношенню до маси атома ізотопу вуглецю З 12 прийнятої за 12 одиниць, і називається ізотопною масою. Вона виявляється близькою до масового числа відповідного ізотопу. Відносна вага атома хімічного елемента є середнє (з урахуванням відносної поширеності ізотопів даного елемента) значення ізотопної ваги і називається атомною вагою (масою).

Атом є мікроскопічною системою, та її будову та властивості можна пояснити лише з допомогою квантової теорії, створеної переважно у 20-ті роки 20 століття і призначеної для описи явищ атомного масштабу. Досліди показали, що мікрочастинки - електрони, протони, атоми і т. д., крім корпускулярних, мають хвильові властивості, що виявляються в дифракції та інтерференції. У квантовій теорії для опису стану мікрооб'єктів використовується деяке хвильове поле, яке характеризується хвильовою функцією (Ψ-функція). Ця функція визначає ймовірність можливих станів мікрооб'єкта, тобто характеризує потенційні можливості прояву тих чи інших його властивостей. Закон зміни функції Ψ у просторі та часі (рівняння Шредінгера), що дозволяє знайти цю функцію, грає в квантовій теорії ту саму роль, що у класичній механіці закони руху Ньютона. Рішення рівняння Шредінгера у багатьох випадках призводить до дискретних можливих станів системи. Приміром, у разі атома виходить ряд хвильових функцій для електронів, відповідних різним (квантованим) значенням енергії. Система енергетичних рівнів атома, розрахована методами квантової теорії, отримала блискуче підтвердження спектроскопії. Перехід атома з основного стану, що відповідає нижчому енергетичному рівню Е 0 в будь-який зі збуджених станів E i відбувається при поглинанні певної порції енергії Е i - Е 0 . Збуджений атом перетворюється на менш збуджений або основний стан зазвичай з випромінюванням фотона. При цьому енергія фотона hv дорівнює різниці енергій атома в двох станах: hv = E i - Е k де h - Постійна Планка (6,62 · 10 -27 ерг · сек), v - частота світла.

Крім атомних спектрів, квантова теорія дозволила пояснити інші властивості атомів. Зокрема, було пояснено валентність, природу хімічного зв'язку та будову молекул, створено теорію періодичної системи елементів.

Що таке нейтрон? Які його структура, властивості та функції? Нейтрони - це найбільші з частинок, що становлять атоми, що є будівельними блоками всієї матерії.

Структура атома

Нейтрони перебувають у ядрі - щільної області атома, також заповненої протонами (позитивно зарядженими частинками). Ці два елементи утримуються разом з допомогою сили, називаємо ядерної. Нейтрони мають нейтральний заряд. Позитивний заряд протона зіставляється з негативним зарядом електрона до створення нейтрального атома. Незважаючи на те, що нейтрони в ядрі не впливають на заряд атома, вони все ж таки мають багато властивостей, які впливають на атом, включаючи рівень радіоактивності.

Нейтрони, ізотопи та радіоактивність

Частка, яка знаходиться в ядрі атома - нейтрон на 0,2% більше за протон. Разом вони становлять 99,99% усієї маси одного і того ж елемента можуть мати різну кількість нейтронів. Коли вчені посилаються на атомну масу, мають на увазі середню атомну масу. Наприклад, вуглець зазвичай має 6 нейтронів та 6 протонів з атомною масою 12, але іноді він зустрічається з атомною масою 13 (6 протонів та 7 нейтронів). Вуглець з атомним номером 14 також існує, але трапляється рідко. Отже, атомна маса для вуглецю усереднюється до 12,011.

Коли атоми мають різну кількість нейтронів, їх називають ізотопами. Вчені знайшли способи додавання цих частинок в ядро ​​для створення великих ізотопів. Тепер додавання нейтронів не впливає на заряд атома, оскільки вони не мають заряду. Однак вони збільшують радіоактивність атома. Це може призвести до дуже нестійких атомів, які можуть розряджати високі рівні енергії.

Що таке ядро?

У хімії ядро ​​є позитивно зарядженим центром атома, який складається з протонів та нейтронів. Слово "ядро" походить від латинського nucleus, яке є формою слова, що означає "горіх" або "ядро". Цей термін був придуманий в 1844 Майклом Фарадеєм для опису центру атома. Науки, що беруть участь у дослідженні ядра, вивченні його складу та характеристик, називаються ядерною фізикою та ядерною хімією.

Протони та нейтрони утримуються сильною ядерною силою. Електрони притягуються до ядра, але рухаються так швидко, що їхнє обертання здійснюється на деякій відстані від центру атома. Заряд ядра зі знаком плюс походить від протонів, а що таке нейтрон? Це частка, яка не має електричного заряду. Майже вся вага атома міститься в ядрі, тому що протони та нейтрони мають набагато більшу масу, ніж електрони. Число протонів в атомному ядрі визначає його ідентичність як елемента. Число нейтронів означає, який ізотоп елемент є атомом.

Розмір атомного ядра

Ядро набагато менше загального діаметра атома, тому що електрони можуть бути віддалені від центру. Атом водню в 145 000 разів більше свого ядра, а атом урану в 23 000 разів більший за свій центр. Ядро водню є найменшим, тому що воно складається із одиночного протона.

Розташування протонів і нейтронів у ядрі

Протон і нейтрони зазвичай зображуються як ущільнені разом і рівномірно розподілені за сферами. Однак це спрощення фактичної структури. Кожен нуклон (протон або нейтрон) може займати певний рівень енергії та діапазон позицій. У той час як ядро ​​може бути сферичним, воно може бути також грушоподібним, кулястим або дископодібним.

Ядра протонів і нейтронів є баріонами, що складаються з найменших званих кварками. Сила тяжіння має дуже короткий діапазон, тому протони та нейтрони повинні бути дуже близькими один до одного, щоб бути пов'язаними. Це сильне тяжіння долає природне відштовхування заряджених протонів.

Протон, нейтрон та електрон

Потужним поштовхом у розвитку такої науки, як ядерна фізика, стало відкриття нейтрона (1932). Дякувати за це слід англійського фізика, який був учнем Резерфорда. Що таке нейтрон? Це нестабільна частка, яка у вільному стані всього за 15 хвилин здатна розпадатися на протон, електрон та нейтрино, так звану безмасову нейтральну частинку.

Частка отримала свою назву через те, що не має електричного заряду, вона нейтральна. Нейтрони є дуже щільними. В ізольованому стані один нейтрон матиме масу всього 1,67 · 10 - 27, а якщо взяти чайну ложку щільно упаковану нейтронами, то шматок матерії, що вийшов, важитиме мільйони тонн.

Кількість протонів у ядрі елемента називається атомним номером. Це число дає кожному елементу унікальну ідентичність. В атомах деяких елементів, наприклад, вуглецю, число протонів в ядрах завжди однаково, але кількість нейтронів може відрізнятися. Атом цього елемента з певною кількістю нейтронів в ядрі називається ізотопом.

Чи небезпечні поодинокі нейтрони?

Що таке нейтрон? Це частинка, яка поряд з протоном входить в природу. Однак іноді вони можуть існувати самі по собі. Коли нейтрони знаходяться поза ядерами атомів, вони набувають потенційно небезпечних властивостей. Коли вони рухаються з високою швидкістю, вони спричиняють смертельну радіацію. Так звані нейтронні бомби, відомі своєю здатністю вбивати людей і тварин, при цьому мінімально впливають на неживі фізичні структури.

Нейтрони є дуже важливою частиною атома. Висока щільність цих частинок у поєднанні зі своєю швидкістю надає їм надзвичайну руйнівну силу та енергію. Як наслідок, вони можуть змінити або навіть розірвати частини ядра атомів, які вражають. Хоча нейтрон має чистий нейтральний електричний заряд, він складається із заряджених компонентів, які скасовують один одного щодо заряду.

Нейтрон в атомі – це крихітна частка. Як і протони, вони надто малі, щоб побачити їх навіть за допомогою електронного мікроскопа, але вони там є, тому що це єдиний спосіб, що пояснює поведінку атомів. Нейтрони дуже важливі для забезпечення стабільності атома, проте за межами його атомного центру вони не можуть існувати довго і розпадаються в середньому лише за 885 секунд (близько 15 хвилин).

Глава перша. ВЛАСТИВОСТІ СТАБІЛЬНИХ ЯДЕР

Вище було сказано, що ядро ​​складається з протонів і нейтронів, пов'язаних ядерними силами. Якщо вимірювати масу ядра в атомних одиницях маси, вона має бути близька до маси протона, помноженої на ціле число зване масовим числом. Якщо заряд ядра масове число то це означає, що до складу ядра входить протонів і нейтронів. (Кількість нейтронів у складі ядра позначається зазвичай через

Ці властивості ядра відображені у символічних позначеннях, які будуть використані надалі у вигляді

де X - назва елемента, атому якого належить ядро ​​(наприклад, ядра: гелію -, кисню -, заліза - урану

До основних характеристик стабільних ядер можна віднести: заряд, масу, радіус, механічний і магнітний моменти, спектр збуджених станів, парність і квадрупольний момент. Радіоактивні (нестабільні) ядра додатково характеризуються часом життя, типом радіоактивних перетворень, енергією часток, що випускаються, і рядом інших спеціальних властивостей, про які буде сказано далі.

Насамперед розглянемо властивості елементарних частинок, у тому числі складається ядро: протона і нейтрона.

§ 1. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТОНУ І НЕЙТРОНУ

Маса.В одиницях маси електрона: маса протону маса нейтрону.

В атомних одиницях маси: маса протону маса нейтрону

В енергетичних одиницях маса спокою протона маса спокою нейтрону

Електричний заряд. q - параметр, що характеризує взаємодію частинки з електричним полем, виражається в одиницях заряду електрона де

Усі елементарні частинки несуть кількість електрики, що дорівнює або 0, або Заряд протона Заряд нейтрону дорівнює нулю.

Спін.Спини протона і нейтрона рівні Обидві частки є ферміонами і підпорядковуються статистиці Фермі-Дірака, отже, і принципу Паулі.

Магнітний моментЯкщо підставити формулу (10), визначальну магнітний момент електрона замість маси електрона масу протона, отримаємо

Розмір називається ядерним магнітоном. Можна було припустити за аналогією з електроном, що спіновий магнітний момент протона дорівнює Проте досвід показав, що власний магнітний момент протона більший за ядерний магнетон: за сучасними даними

Крім того, виявилося, що незаряджена частка - нейтрон - також має магнітний момент, відмінний від нуля і рівний

Наявність магнітного моменту у нейтрону і настільки велике значення магнітного моменту у протона суперечать припущенням про точковість цих частинок. Ряд експериментальних даних, отриманих останніми роками, свідчить про те, що і протон і нейтрон мають складну неоднорідну структуру. У центрі нейтрона у своїй перебуває позитивний заряд, але в периферії рівний йому за величиною розподілений обсягом частки негативний заряд. Але оскільки магнітний момент визначається не тільки величиною обтікаючого струму, а й площею, що охоплюється ним, то створювані ними магнітні моменти не будуть рівні. Тому нейтрон може мати магнітний момент, залишаючись в цілому нейтральним.

Взаємні перетворення нуклонів.Маса нейтрону більша за масу протона на 0,14%, або на 2,5 маси електрона,

У вільному стані нейтрон розпадається на протон, електрон та антинейтрино: Середній час життя його близько 17 хв.

Протон – частка стабільна. Однак усередині ядра він може перетворюватися на нейтрон; при цьому реакція йде за схемою

Різниця в масах частинок, що стоять ліворуч та праворуч, компенсується за рахунок енергії, що повідомляється протону іншими нуклонами ядра.

Протон і нейтрон мають однакові спини, майже однакові маси і можуть перетворюватися одна на одну. Надалі буде показано, що й ядерні сили, що діють між цими частинками попарно, також однакові. Тому їх називають загальним найменуванням - нуклон і кажуть, що нуклон може перебувати у двох станах: протон та нейтрон, що відрізняються своїм ставленням до електромагнітного поля.

Нейтрони та протони взаємодіють завдяки існуванню ядерних сил, що мають неелектричну природу. Своїм походженням ядерні сили зобов'язані обміну мезонами. Якщо зобразити залежність потенційної енергії взаємодії протона і нейтрону малих енергій від відстані між ними, то приблизно вона матиме вигляд графіка, представленого на рис. 5, а, тобто має форму потенційної ями.

Мал. 5. Залежність потенційної енергії взаємодії від відстані між нуклонами: а – для пар нейтрон – нейтрон або нейтрон – протон; б - для пари протон - протон

НЕЙТРОН(n) (від латів. neuter - ні той, ні інший) - елементарна частка з нульовим електрич. зарядом і масою, трохи більшої маси протона. Поряд із протоном під загальним назв. нуклон входить до складу атомних ядер. H. має спин 1/2 і, отже, підкоряється Фермі - Дірака статистиці(є ферміоном). Належить до сімейства адра-нов;має баріонним числом B = 1, тобто входить до групи баріонів.

Відкритий в 1932 Дж. Чедвіком (J. Chadwick), який показав, що жорстке проникаюче випромінювання, що виникає при бомбардуванні ядер берилію a-частинками, складається з електрично нейтральних частинок з масою приблизно рівної протонної. У 1932 Д. Д. Іваненко та В. Гей-зенберг (W. Heisenberg) висунули гіпотезу про те, що атомні ядра складаються з протонів і H. На відміну від зарядів. частинок, H. легко проникає в ядра за будь-якої енергії і з великою ймовірністю викликає ядерні реакціїзахоплення (n, g), (n, a), (n, p), якщо баланс енергії реакції позитивний. Імовірність екзотерміч. збільшується при уповільненні H. обернено пропорц. його швидкість. Збільшення ймовірності реакцій захоплення H. при їх уповільненні у водневмісних середовищах було виявлено Е. Фермі (E. Fermi) зі співробітниками в 1934. Здатність H. викликати поділ важких ядер, відкрита О. Ганом (О. Hahn) та Ф. Штрасманом (F .Strassman) в 1938 (див. Поділ ядер), послужила основою створення ядерної зброї і . Своєрідність взаємодії з речовиною повільних H., що мають дебройлівську довжину хвилі порядку атомних відстаней (резонансні ефекти, дифракція тощо), є основою широкого використання нейтронних пучків у фізиці твердого тіла. (Класифікацію H. за енергіями - швидкі, повільні, теплові, холодні, ультрахолодні - див. ст. Нейтронна фізика.)

У вільному стані H. нестабільний – відчуває B-розпад; n p + е - + v e; його час життя t n = = 898(14) з, гранична енергія спектра електронів 782 кеВ (див. Бета-розпад нейтрону). У зв'язаному стані у складі стабільних ядер H. стабільний (за експериментальними оцінками, його час життя перевищує 10 32 років). По астр. оцінок, 15% видимої речовини Всесвіту представлено H., що входять до складу ядер 4 He. H. є осн. компонентом нейтронних зірок. Вільні H. у природі утворюються в ядерних реакціях, що викликаються a-частинками радіоактивного розпаду, космічними променямий у результаті спонтанного чи вимушеного поділу важких ядер. Мистецтв. джерелами H. служать ядерні реактори, ядерні вибухи, прискорювачі протонів (на порівн. енергії) та електронів з мішенями з важких елементів. Джерелами монохроматичних пучків H. з енергією 14 МеВ є низькоенергетич. прискорювачі дейтронів з тритієвою або літієвою мішенню, а в майбутньому інтенсивними джерелами таких H. можуть виявитися термоядерні установки УТС. (Див. .)

Основні характеристики H.

Маса H. т п = 939,5731 (27) МеВ / с 2 = = 1,008664967 (34) ат. од. маси 1,675. 10 -24 р. Різниця мас H. і протона виміряна з наиб. точністю з енергетич. балансу реакції захоплення H. протоном: n + p d + g (енергія g-кванта = 2,22 МеВ), m n - m p = 1,293323 (16) МеВ / с2.

Електричний заряд H. Q n = 0. Найбільш точні прямі виміри Q n виконані за відхиленням пучків холодних або ультрахолодних H. в електростатич. поле: Q n<= 3·10 -21 е (е- Заряд електрона). Косв. дані з електрич. нейтральності мак-роскопіч. кількість газу дають Q n<= 2·10 -22 е.

Спін H. J= 1/2 був визначений із прямих дослідів з розщеплення пучка H. у неоднорідному магн. поле на дві компоненти [загалом число компонент дорівнює (2 J + 1)].

Слідувати. опис структури адронів на основі суч. теорії сильної взаємодії - квантової хромодинаміки- Поки зустрічає теоретич. Проблеми, але для мн. завдань цілком задовольнить. результати дає опис взаємодії нуклонів, що подаються як елементарні об'єкти, шляхом обміну мезонами. Експерим. Вивчення просторів. структури H. виконується за допомогою розсіювання високоенергійних лептонів (електронів, мюонів, нейтрино, що розглядаються в суч. теорії як точкові частки) на дейтронах. Внесок розсіювання на протоні вимірюється у отд. експерименті і може бути віднятий за допомогою визнач. обчислить. процедури.

Пружне та квазіпружне (з розщепленням дейтрона) розсіювання електронів на дейтроні дозволяє знайти розподіл щільності електрич. заряду та магн. моменту H. ( формфактор H.). Згідно з експериментом, розподіл густини магн. моменту H. з точністю порядку дек. відсотків збігається з розподілом щільності електрич. заряду протона і має середньоквадратичний радіус ~0,8 10 -13 см (0,8 Ф). магніт. форм-фактор H. досить добре описується т.з. дипольний ф-лой G M n = m n (1 + q 2 / 0,71) -2 де q 2 - квадрат переданого імпульсу одиницях (ГэВ/с) 2 .

Більш складне питання про величину електрич. (зарядового) формфактору H. G E n. З експериментів з розсіювання на дейтроні можна зробити висновок, що G E n ( q 2 ) <= 0,1 в інтервалі квадратів переданих імпульсів (0-1) (ГеВ/с) 2 . При q 2 0 внаслідок рівності нулю електрич. заряду H. G E n - > 0, але експериментально можна визначити дG E n ( q 2 )/дq 2 | q 2=0. Ця величина наиб. точно знаходиться з вимірів довжини розсіювання H. на електронній оболонці важких атомів. основ. частина такої взаємодії визначається магн. моментом H. Найб. точні експерименти дають довжину ne-розсіювання а nе = -1,378 (18). 10 -16 см, що відрізняється від розрахункової, що визначається магн. моментом H.: a nе = -1,468. 10 -16 см. Різниця цих значень дає середньоквадратичний електрич. радіус H.<r 2 E n >= = 0,088(12) Філі дG E n ( q 2)/дq 2 | q 2 = 0 = -0,02 F2. Ці цифри не можна розглядати як остаточні через великий розкид даних разл. експериментів, що перевищують наведені помилки.

Особливістю взаємодії H. з більшістю ядер є поклад. довжина розсіювання, що призводить до коеф. заломлення< 1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. При скорости u < (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах (напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства (см. Нейтронна оптика).

H. та слабка (електрослабка) взаємодія. Важливим джерелом відомостей про електрослабку взаємодію є b-розпад вільного H. .На кварковому рівні цей процес відповідає переходу. Зворотний процес електронної взаємодії з протоном, , зв. зворотним b-розпадом. До цього ж класу процесів належить електронне захоплення, що має місце в ядрах, ре - n v e.

Розпад вільного H. з урахуванням кінематич. параметрів описується двома константами - векторною G V, що є внаслідок векторного струму збереженняуніверс. константою слабкої взаємодії, та аксіально-векторною G A, величина до-рой визначається динамікою сильно взаємодіючих компонентів нуклону - кварків і глюонів. Хвильові ф-ції початкового H. і кінцевого протона та матричний елемент переходу n p ​​завдяки ізотопіч. інваріантності обчислюються досить точно. Внаслідок цього обчислення констант G Vі G Aз розпаду вільного H. (на відміну обчислень з b-розпаду ядер) пов'язані з урахуванням ядерно-структурных чинників.

Час життя H. без урахування деяких поправок дорівнює: t n = k(G 2 V+ 3G 2 A) -1 , де kвключає кінематич. фактори та залежні від граничної енергії b-розпаду кулонівські поправки та радіаційні поправки.

Імовірність розпаду поляризів. H. зі спином S , енергіями та імпульсами електрона та антинейтрино та р е, у загальному вигляді описується виразом:

Коеф. кореляції a, А, В, Dможуть бути представлені у вигляді ф-ції від параметра а = (G A/G V,) Exp ( i f). Фаза f відрізняється від нуля або p, якщо T-інваріантність порушена. У табл. наведено експеримент. значення для цих коеф. і випливають із них значення aта f.

Є помітна відмінність даних разл. експериментів для т n досягає дек. відсотків.

Опис електрослабкої взаємодії за участю H. за більш високих енергій набагато складніше через необхідність враховувати структуру нуклонів. Напр., m - захоплення, m - p n v m описується принаймні подвоєним числом констант. H. відчуває також електрослабку взаємодію з ін адронами без участі лептонів. До таких процесів належать такі.

1) Розпади гіперонів L np 0 , S + np + , S - np - і т. д. Наведена ймовірність цих розпадів у дек. разів менше, ніж у недивних частинок, що описується запровадженням кута Кабіббо (див. Кабібо кут).

2) Слабка взаємодія n - n або n - p, яке проявляється як ядерні сили, що не зберігають просторів. парність. Звичайна величина обумовлених ними ефектів порядку 10 -6 -10 -7.

Взаємодія H. з середніми і важкими ядрами має ряд особливостей, що призводять в деяких випадках до значить. посилення ефектів незбереження парності в ядрах. Один із таких ефектів – відносить. різниця перерізу поглинання H. з напряму поширення і проти нього, к-рая у разі ядра 139 La дорівнює 7% при = 1,33 еВ, відповідають щей р-хвильового нейтронного резонансу. Причиною посилення є поєднання малої енергії. ширини станів компаунд-ядра і великої щільності рівнів з протилежною парністю цього компаунд-ядра, що забезпечує на 2-3 порядку більше змішування компонент з різною парністю, ніж у станів ядер, що низько лежать. В результаті ряд ефектів: асиметрія випромінювання g-квантів щодо спина поляризів, що захоплюється. H. реакції (n, g), асиметрія вильоту заряд. частинок при розпаді компаунд-станів реакції (n, р) або асиметрія вильоту легкого (або важкого) осколка поділу реакції (n, f). Асиметрії мають величину 10 -4 -10 -3 при енергії теплових H. р-хвильових нейтронних резонансах реалізується доповн. посилення, пов'язане з пригніченістю ймовірності утворення компоненти цього компаунд-стану, що зберігає парність (через малу нейтронну ширину р-резонансу) по відношенню до домішкової компоненти з протилежною парністю, що є s-резонан-сом. Саме поєднання дек. факторів посилення дозволяє дуже слабкому ефекту виявлятися з величиною, характерною для ядерної взаємодії.

Взаємодії з порушенням баріонного числа. Теоретич. моделі великого об'єднанняі супероб'єднанняпередбачають нестабільність баріонів - їхній розпад у лептони та мезони. Ці розпади можна помітити лише найлегших баріонів - p і п, які входять до складу атомних ядер. Для взаємодії із зміною баріонного числа на 1, D B= 1, можна було б очікувати перетворення H. типу: n е + p -, або перетворення з випромінюванням дивних мезонів. Пошуки такого роду процесів проводилися в експериментах із застосуванням підземних детекторів з масою в дек. тисяч тон. З цих експериментів можна зробити висновок, що час розпаду H. з порушенням баріонного числа становить понад 10 32 років.

Др. можливий тип взаємодії з D У= 2 може призвести до явища взаємоперетворення H. антинейтроніву вакуумі, тобто до осциляції . У відсутність внеш. полів або при їх малій величині стану H. і антинейтрону вироджені, оскільки їх маси однакові, тому навіть надслабка взаємодія може їх перемішувати. Критерієм дещиці внеш. полів є трохи енергії взаємодії магн. моменту H. з магн. полем (n і n ~ мають протилежні за знаком магн. моменти) в порівнянні з енергією, що визначається часом Tспостереження H. (відповідно до співвідношення невизначеностей), D<=hT-1. При спостереженні народження антинейтронів у пучку H. від реактора або ін. Tє час прольоту H. до детектора. Число антинейтронів у пучку зростає із зростанням часу прольоту квадратично: /N n ~ ~ (T/t осц) 2 де t осц - час осциляції.

Прямі експерименти зі спостереження народження і в холодних пучках H. від високопоточного реактора дають обмеження t осц > 10 7 с. У експериментах, що готуються, очікується збільшення чутливості до рівня t осц ~ 10 9 с. Обмежувальними обставинами є макс. інтенсивність пучків H. та імітація явищ антинейтронів у детекторі косміч. променями.

Др. метод спостереження осциляції - спостереження анігіляції антинейтронів, які можуть утворюватися в стабільних ядрах. При цьому через велику відмінність енергій взаємодій антинейтрону, що виникає, в ядрі від енергії зв'язку H. ефф. час спостереження стає ~ 10 -22 с, але велика кількість ядер (~10 32) частково компенсує зменшення чутливості в порівнянні з експериментом на пучках H. З даних підземних експериментів з пошуку розпаду протона про відсутність подій з енерговиділенням ~2 ГеВ можна укласти з деякою невизначеністю, що залежить від незнання точного виду взаємодії антинейтрона всередині ядра, що t осц > (1-3) . 10 7 с. Істот. підвищення межі t осц у цих експериментах утруднено тлом, обумовленим взаємодією косміч. нейтрино з ядрами у підземних детекторах.

Слід зазначити, що пошуки розпаду нуклону з D B= 1 і пошуки-осциляції є незалежними експериментами, тому що викликаються принципово разл. видами взаємодій.

Гравітаційна взаємодія H. Нейтрон - одна з небагатьох елементарних частинок, падіння якої гравітація. Поле Землі можна спостерігати експериментально. Прямий вимір H. виконано з точністю 0,3% і не відрізняється від макроскопічного. Актуальним залишається питання дотримання еквівалентності принципу(рівності інертної та гравітаційної мас) для H. і протонів.

Найточніші експерименти виконані методом Ет-веша для тіл, що мають різні пор. значення відношення A/Z, де А- Ат. номер, Z- заряд ядер (у од. елементарного заряду е). З цих дослідів випливає однаковість прискорення вільного падіння H. і протонів лише на рівні 2·10 -9 , а рівність гравітац. та інертної маси на рівні ~10 -12 .

Гравітац. прискорення та уповільнення широко використовуються в дослідах з ультрахолодними H. Застосування гравітації. рефрактометр для холодних і ультрахолодних H. дозволяє з великою точністю виміряти довжини когерентного розсіювання H. на речовині.

H. у космології та астрофізиці

Відповідно до совр. уявленням, у моделі Гарячого Всесвіту (див. Гарячого Всесвіту теорія) Освіта баріонів, в т. Ч. Протонів і H., відбувається в перші хвилини життя Всесвіту. Надалі деяка частина H., не встигли розпастися, захоплюється протонами з утворенням 4 He. Співвідношення водню та 4 He при цьому становить масою 70% до 30%. При формуванні зірок та їх еволюції відбувається подальший нуклеосинтез, до ядер заліза. Утворення більш важких ядер відбувається в результаті вибухів наднових з народженням нейтронних зірок, що створюють можливість послідувати. захоплення H. нуклідами. У цьому комбінація т. зв. s-процесу - повільного захоплення H. з b-розпадом між послідовними захопленнями і r-процесу - швидкого послідовності. захоплення під час вибухів зірок в осн. може пояснити спостерігається поширеність елементіву косміч. об'єктах.

У первинній компоненті косміч. променів H. через свою нестабільність, ймовірно, відсутні. H., що утворюються біля поверхні Землі, що дифундують у косміч. простір і розпадаються там, мабуть, роблять внесок у формування електронної та протонної компоненти радіаційних поясівЗемлі.

Літ.:Гуревич І. С., Тарасов Л. Ст, Фізика нейтронів низьких енергій, M., 1965; Александров Ю. А.,. Фундаментальні властивості нейтрону, 2 видавництва, M., 1982.