Какие силы удерживают нуклоны в ядре атома и какими свойствами они обладают
«Другого ничего в природе нет….
Ни здесь, ни там – в космических глубинах.
Все: от песчинок малых до планет
из элементов состоит единых»
Степан Щипачёв
Ранее изучалось строение атома. С помощью опытов Резерфорда, было установлено, что почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в атомном ядре, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. После этого открытия возникал резонный вопрос: а из чего состоит ядро? Ещё в 1913 году, Резерфорд предположил, что в состав любого атомного ядра входит ядро атома водорода. Это предположение было обусловлено тем, что масса ядра любого химического элемента была в целое число раз больше массы ядра атома водорода. Это дало основание рассматривать ядро атома водорода как элементарную частицу. Такая частица была названа протоном.
В 1919 году Резерфорд провел следующий опыт: он обстреливал ядро атома азота a-частицами. При попадании a-частицы в ядро азота, образовались два совершенно новых ядра: по предварительным оценкам, это были ядра атомов кислорода и водорода.
Однако полной уверенности в этом не было до тех пор, пока эксперимент не был повторен в камере Вильсона. На фотографии видны расходящиеся прямые линии – это следы a-частиц, которые не испытали соударений с ядрами атомов азота.
Тем не менее, на фотографии ясно видно, что след одной a-частицы раздваивается. Это говорит о том, что именно эта a-частица столкнулась с ядром атома азота. По характеру искривления треков было установлено (на этот раз точно), что образовавшиеся ядра действительно являются ядрами атомов кислорода и водорода. Таким образом, Резерфордом фактически была получена первая искусственная ядерная реакция.
В уравнении, описывающем данную реакцию, символом
обозначено ядро атома водорода, масса которого составляет приблизительно одну атомную единицу массы (1 а.е.м.), а заряд равен модулю элементарного заряда. Ядро атома водорода также обозначается символом
(то есть символом протона, поскольку это одно и то же). Впоследствии были проведены подобные эксперименты и с другими элементами, такими как натрий, алюминий, магний и многими другими. Из всех этих ядер a-частицы выбивали протоны, что подтверждало гипотезу Резерфорда.
Тем не менее, очень скоро стало ясно, что ядра не состоят только из протонов. Дело в том, что это противоречило опытным данным. Для примера возьмем ядро бериллия, заряд которого равен четырем элементарным зарядам . Это говорит нам о том, что в ядре бериллия находится 4 протона. Если бы ядро состояло только из протонов, то масса ядра бериллия была бы равна 4 а.е.м. В действительности же, масса ядра бериллия составляет 9 а.е.м. Следовательно, в ядро входят еще какие-то частицы, причем не обладающие электрическим зарядом. Именно на основании этого, в 1929 году Резерфорд высказал предположение о существовании электрически нейтральной частицы, масса которой приблизительно равна массе протона.
В 1930 году Вальтер Боте и его студент Герберт Беккер обнаружили следующее: при бомбардировке a-частицами ядра атома бериллия, из ядра исходит какое-то неизвестное излучение. Сначала было выдвинуто предположение о том, что это гамма-лучи, поскольку они имели высокую проникающую способность и никак не отклонялись в магнитном поле. Однако, от этой идеи пришлось отказаться, поскольку данное излучение обладало слишком большой энергией для гамма-лучей. В 1932 году изучением нового излучения занялся ученик Резерфорда — Джеймс Чедвик.
Он доказал, что неизвестное излучение – это на самом деле поток нейтральных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона. Эту массу удалось определить по характеру взаимодействия с другими частицами. То, что частица электрически нейтральна, следовало из того, что она не отклонялась ни в электрическом, ни в магнитном поле. Такую частицу назвали нейтроном. Итак, нейтрон обозначается символом
(поскольку не имеет заряда и обладает массой приблизительно равной 1 а.е.м.). Впоследствии точные измерения показали, что масса нейтрона чуть больше массы протона.
Практически сразу после открытия нейтрона физиками Дмитрием Иваненко и Вернером Гейзенбергом была предложена протонно-нейтронная модель строения ядра.
Работая независимо друг от друга, они пришли к выводу, что ядра атомов всех элементов состоят из двух видов частиц: протонов и нейтронов. Эти частицы стали называть нуклонами. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом (поскольку это число определяет массу ядра). Массовое число обозначается буквой А. Число протонов в ядре называется зарядовым числом (поскольку это число определяет заряд ядра). Зарядовое число обозначается буквой Z. Нетрудно догадаться, что число нейтронов в ядре равно разности общего числа нуклонов и числа протонов. То есть, чтобы найти число нейтронов, нужно из массового числа вычесть зарядовое число. Это число обозначается буквой N.
Итак, в общем случае, ядро любого химического элемента обозначается следующим образом:
где Х – это символ элемента, Z – зарядовое число и А – массовое число. Еще раз уточним, что массовое число равно массе, выраженной в атомных единицах и округленной до целых. Зарядовое число равно заряду, выраженному в единицах элементарного электрического заряда. Для примера рассмотрим ядро натрия.
В таблице Менделеева, натрий имеет порядковый номер 11 – это и есть зарядовое число. Значит, в ядре натрия содержится 11 протонов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, можно заключить, что в атоме содержится 11 электронов. В таблице Менделеева также указана масса натрия – 23. Значит, в ядре натрия содержится 12 нейтронов. Итак, чтобы определить количество протонов, нейтронов и электронов в атоме, нужно сделать следующее:
– Посмотреть в таблице Менделеева порядковый номер интересующего вас элемента. Таким образом, определяется зарядовое число – то есть число протонов и число электронов.
– Посмотреть массу этого элемента в таблице Менделеева и округлить её до целых (она почти всегда очень близка к целому числу). Таким образом, определяется массовое число, то есть общее число нуклонов. Для нахождения числа нейтронов, нужно из массового числа вычесть зарядовое число.
Необходимо отметить, что существуют атомы, которые ничем не отличаются друг от друга по своим химическим свойствам, но обладают различным массовым числом. Впервые, на существование таких атомов обратил внимание Фредерик Содди, который работал вместе с Резерфордом. Содди предложил называть такие атомы изотопами. С помощью опытов было установлено, что изотопы одинаково вступают в химические реакции и образуют одинаковые соединения. Это говорило о том, что число электронов в электронных оболочках (а, значит, и заряд ядра) у изотопов одинаковы. Стало быть, в ядрах изотопов содержалось различное число нейтронов.
На сегодняшний день найдены изотопы всех химических элементов. Например, водород имеет три изотопа: протий, дейтерий и тритий.
Ядро протия состоит только из одного протона (это самый распространенный изотоп водорода). То есть, заряд ядра протия равен элементарному заряду, а масса равна одной атомной единице. Ядро дейтерия включает в себя один протон и один нейтрон. Таким образом, заряд ядра дейтерия тоже равен элементарному, но масса уже равна двум атомным единицам. Наконец, ядро трития содержит один протон и два нейтрона. Заряд ядра трития опять-таки равен элементарному заряду, а вот масса равна трем массовым единицам.
Другие химические элементы могут иметь значительно больше изотопов: например у урана их насчитывается 26. Наиболее распространенные изотопы урана – это уран 235 и уран 238 (поскольку зарядовое число изотопов одинаковое, имеет смысл упоминать только массовое число, чтобы понять, о каком изотопе идет речь).
Надо сказать, что некоторые изотопы могут являться радиоактивными. В связи с этим, изотопы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные изотопы сохраняются неизменными сколь угодно долго, а нестабильные изотопы со временем превращаются в другие химические элементы в результате радиоактивного распада.
Именно из-за существования изотопов, для большинства элементов в таблице Менделеева указана дробная масса. Дело в том, что эта масса вычисляется как средняя масса всех изотопов с учетом степени распространения каждого изотопа. Например, как мы уже убедились, водород имеет три изотопа с массовыми числами один, два и три. Но протий распространен гораздо больше: его содержание в природе составляет почти 99,99%. Поэтому в таблице Менделеева масса водорода практически равна единице.
Возникает важнейший вопрос: как же ядра многих изотопов остаются стабильными? Что удерживает нуклоны в ядре? Ведь между положительно заряженными протонами должны возникать силы электростатического отталкивания. Силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре называются ядерными силами. Нетрудно догадаться, что раз протоны не разлетаются в разные стороны, значит, ядерные силы значительно мощнее, чем электростатические силы. Но ядерные силы действуют на очень малом расстоянии, то есть в пределах атомного ядра. Эти силы фундаментально отличаются от гравитационного или электромагнитного взаимодействия и относятся к сильному взаимодействию, о котором упоминалось в девятом и десятом классах. Также к свойствам ядерных сил можно отнести то, что они не являются центральными (то есть не действуют вдоль прямой, соединяющей частицы). Кроме того, ядерные силы не зависят от величины заряда частиц (поскольку они действуют и на незаряженные частицы – нейтроны).
Основные выводы:
– После открытия протона и нейтрона была предложена протонно-нейтронная модель ядра.
– Согласно этой модели все ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Частицы, входящие в состав ядра назвали нуклонами.
– Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом, а число протонов в ядре называется зарядовым числом.
– Массовое число А численно равно массе ядра данного химического элемента, выраженной в атомных единицах массы и округленной до целого.
– Зарядовое число Z численно равно заряду ядра, выраженному в единицах элементарного электрического заряда.
– Число нейтронов в ядре определяется как разность массового и зарядового чисел.
– В результате исследований было открыто существование разновидностей каких-либо химических элементов, которые обладали одинаковыми химическими свойствами, но имели различную массу. Такие разновидности назвали изотопами.
– Ядерные силы – это силы, удерживающие нуклоны в ядре в течение длительного времени. Тем не менее, ядерные силы не распространяются за пределы атомных ядер.
Тест
Анонимный вопрос · 28 апреля 2018
616
Если радиоактивные частицы прошивают ядра насквозь, то сколько нужно ядер, чтобы моментально «испарить» человека среднего телосложения?
Сусанна Казарян, США, Физик
Вопрос требует коррекции. Радиоактивными бывают сверх тяжёлые элементы и их изотопы, но не элементарные частицы. Прошивать ядра насквозь могут многие частицы, но чтобы навредить или разрушить ядро, частицы-снаряды должны быть адронами (протоны, нейтроны, пионы …, лёгкие ядра) и при этом, иметь высокую энергию. Чтобы испарить человека, имея ввиду дезинтегрировать его на элементарные частицы, подойдёт пучок протонов Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРН с полной энергией в пучке 362 МДж. Этого с лихвой достаточно, чтобы в человеке мгновенно насквозь проделать дырочку размером в диаметр пучка. Кстати в пучке 2800 разнесённых в пространстве групп по 115 млрд протонов в каждой группе.
Но есть одна проблема. Поперечные размеры пучка малы (~1 мм) и поэтому «клиента» там необходимо будет перемещать то тех пор, пока он не исчезнет полностью.
Но знайте, что Вас в любом случае поймают и все следующие годы вашей жизни пройдут за чтением книг тюремной библиотеки и этого ресурса TQ.
Как энергия переходит в материю при разгоне частиц? Например, при разгоне ядра углерода с энергией 60 МэВ создается множество частиц с большей массой. Значит ли это, что энергия перешла в материю?
Сусанна Казарян, США, Физик
Уберем из вопроса несколько слов, не относящихся к сути. А суть вопроса — Как энергия переходит в материю?
⋇ На уровне элементарных частиц, одним из примеров перехода массы в энергию является распад нейтрального пиона на два гамма-кванта (π⁰ → 2γ) или реакция аннигиляции электрон-позитронной пары (e⁻ + e⁺ → 2γ), где массы π⁰ и e⁻e⁺-пары полностью переходят в радиационную энергию, согласно E = mc².
⋇ Примером частичного перехода массы в энергию (дефект масс) является реакции синтеза Гелия в центре Солнца с выделением энергии, которая вот уже более 4 млрд лет греет Землю. При этом масса Солнца уменьшается.
⋇ На горизонте событий чёрной дыры возможны процессы рождения фотонов (или e⁻e⁺ пар) из вакуума (излучение Хокинга) и при этом масса чёрной дыры соответственно уменьшается.
Переход энергии в массу — рождение e⁻e⁺ пары фотоном в магнитосферах нейтронных звезд (γ → e⁻ + e⁺) или прямое рождение e⁻e⁺ пары гамма-квантом в электростатическом поле ядра (γ + A → A* + e⁻ + e⁺). Большой набор процессов фоторождения адронов: γ + p → p + K⁺ + K⁻ … Термин фоторождение говорит сам за себя. Да и вся наша Вселенная по-видимому была результатом перехода энергии в пространство-время и массу перед началом Большого Взрыва в результате флюктуации квантового скалярного поля.
Что касается углерода (¹²C). Энергия 60 МэВ это очень мало (5 МэВ на нуклон) для ядра углерода, чтобы создать множество частиц. Необходимы энергии в 1000 и более раз выше. Тогда в результате каскадных процессов рождения частиц в мишени могут происходить как процессы фоторождения адронов, так и рождения e⁻e⁺ пар вторичными гамма квантами в поле ядра мишени. Но вклад и масса таких частиц все же будут малыми.
Как же энергия переходит в матерю? Это имеет объяснение только в рамках квантовой теории поля, где все частицы представляют собой возмущения соответствующих квантовых полей. Взаимодействие этих полей с вакуумным полем приводит к рождению реальных частиц. И не старайтесь это понять в рамках здравого смысла , если у вас оценка по квантовой теории поля была 3 или меньше.
Прочитать ещё 1 ответ
Что позволяет предположить, что эукариоты – результат симбиоза различных древних одноклеточных организмов?
физик-теоретик в прошлом, дауншифтер и журналист в настоящем, живу в Германии
Сходство белков (и кодирующих их генов) у эукариотов и архей, либо эукариотов и бактерий.
У митохондрий и пластид — ТОЛЬКО бактериальные белки, есть своя ДНК (кольцевая! часть генов, впрочем, мигрировала в ядро), свои рибосомы (бактериальные!), свои мембраны (бактериальные!).
Мембрана ядра и прилегающая цитоплазма — ТОЛЬКО «архейные». Считывание генов ядра и рибосомы цитоплазмы — ТОЛЬКО «архейные».
Прочие элементы — более или менее «гибридные». Причем там уже важные гены/белки каких-то ИНЫХ бактерий позаимствованы, не связанные с митохондриями и пластидами. А недавно обнаружен геном архей (локиархеи), уже имеющих эти заимствованные бактериальные гены (хотя бы некоторые, включая отвечающие за фагоцитоз).
Кроме того есть эукариоты, у которых нет своих хлоропластов, но есть внутренний симбионт (тоже эукариот) с хлоропластами: https://ru.wikipedia.org/wiki/Хромисты . То есть, фактом является также сама принципиальная способность эукариотов обзаводиться внутренними симбионтами.
На сегодняшний день твердо установлено, что митохондрии и пластиды эукариотической клетки являются потомками симбиотических бактерий (альфапротеобактерий и цианобактерий соответственно). Митохондрии были уже у последнего общего предка всех современных эукариот: это их универсальная черта. Хотя некоторые современные эукариоты лишены митохондрий, это — результат вторичной утраты.
Природа «хозяйской» клетки, некогда захватившей бактериальных симбионтов, менее очевидна, чем происхождение митохондрий и пластид. Геном эукариот явно имеет химерное происхождение: часть генов досталась им от архей, другая — от бактерий (в том числе от симбионтов, но не только от них). Гены архейного происхождения выполняют в эукариотической клетке в основном «центральные» функции (такие как работа с генетической информацией и синтез белка), гены бактериального происхождения — в основном «периферические» (обмен веществ, взаимодействие с внешней средой). …
По мере накопления геномных данных … становится всё более очевидно, что эукариоты обособились внутри архейной «кроны», то есть являются более близкими родственниками одним археям, чем другим.
https://elementy.ru/novosti_nauki/432477/Novootkrytyy_mikrob_zapolnyaet_bresh_mezhdu_prokariotami_i_eukariotami
Дальше там (в статье, процитированной выше) речь о недавно открытых глубоководных локиархеях (известен только их геном, живьем их пока не видели), претендующих на особую близость к эукариотам. В частности, локиархеи имеют важные группы белков (например, обеспечивающих фагоцитоз, то есть — захват находящихся снаружи частичек пищи или бактерий), которые есть у эукариотов, но отсутствуют у прочих известных архей.
Еще о локиархеях: https://kot.sh/statya/210/nashli-predkov-vseh-eukariot
- +
О другом возможном механизме образования эукариот — захват симбионтов «выпячиванием» мембраны — без фагоцитоза (без «впячивания»): https://biomolecula.ru/articles/poiavlenie-i-evoliutsiia-kletochnoi-membrany
- +
Грамм-отрицательные бактерии — это тоже химеры. (К грамм-отрицательным относятся предположительные предки митохондрий и пластид — альфа-протеобактерии и цианобактерии). Вероятно, тоже эндосимбиотические
Статистические тесты.., фактически говорят лишь о том, что геном грамотрицательных бактерий имеет химерное происхождение … Эндосимбиоз дает очень простое и красивое объяснение появлению двойной мембраны (наружная мембрана принадлежит хозяину, внутренняя — симбионту). У этой гипотезы есть проверяемые следствия — например, следует ожидать, что одна из двух мембран сохранила в себе что-то, характерное для клостридий, а вторая — для актинобактерий …
… Лейк вскользь указывает на одно дополнительное подтверждение, связанное с эволюцией фотосинтеза. Дело в том, что среди прокариот фотосинтез встречается только у некоторых клостридий, а также у многих грамотрицательных бактерий (цианобактерий, пурпурных протеобактерий, зеленых серных бактерий и др). Ни одна из древовидных эволюционных реконструкций не могла объяснить такое странное распределение способности к фотосинтезу среди прокариот — даже с учетом возможного горизонтального переноса. … схема Лейка, напротив, хорошо объясняет эту ситуацию. По-видимому, изобретателями фотосинтеза были какие-то древние клостридии. От этих клостридий фотосинтез достался по наследству первым грамотрицательным бактериям … В дальнейшем во многих группах грамотрицательных бактерий фотосинтез был вторично утрачен. Отсюда — еще одно проверяемое следствие: можно ожидать, что, порывшись хорошенько в геномах нефотосинтезирующих грамотрицательных бактерий, мы найдем там следы древних фотосинтетических систем.
https://elementy.ru/novosti_nauki/431137/Drevo_zhizni_zavivaetsya_v_koltsa
- +
Более подробно, где у эукариотов чьи белки работают:
Общепризнано, что эукариоты возникли в результате симбиоза нескольких видов прокариот. Предками митохондрий были альфапротеобактерии, предками пластид – цианобактерии. Гораздо труднее понять, кто был предком всего остального, то есть цитоплазмы и ядра. Нуклеоцитоплазма эукариот сочетает в себе признаки архей и бактерий, а также имеет множество уникальных особенностей, которых нет у современных прокариот.
… Предком митохондрий были альфапротеобактерии. Какие именно – этот вопрос остается дискуссионным. … Вскоре после перехода предков митохондрий к эндосимбиозу многие из их генов была перенесена в ядро, где они попали под контроль ядерно-цитоплазматических регуляторных систем. Гены переносились целыми крупными блоками
… 4,5 тысячи белковых доменов, которые есть у эукариот, можно разделить на 4 группы: 1) имеющиеся только у эукариот, 2) общие для всех трех надцарств, 3) общие для эукариот и бактерий, но отсутствующие у архей; 4) общие для эукариот и архей, но отсутствующие у бактерий.
Мы рассмотрим две последние группы …, поскольку для этих белков можно с определенной уверенностью говорить об их происхождении: соответственно бактериальном или архейном.
… Домены, унаследованные от архей …, играют ключевую роль в жизни эукариотической клетки. Среди них преобладают домены, связанные с хранением, воспроизведением, организацией и считыванием генетической информации.
Очень важен тот факт, что подавляющее большинство «архейных» доменов относится к тем функциональным группам, в пределах которых горизонтальный обмен генами у прокариот происходит реже всего. Скорее всего, эукариоты могли получить этот комплекс лишь путем прямого наследования от архей, или от общего предка с современными археями.
Среди доменов бактериального происхождения тоже есть белки, связанные с информационными процессами, но … большинство из них работает только в митохондриях или пластидах. Например, все эукариотические рибосомные белки бактериального происхождения (их 24) присутствуют только в рибосомах митохондрий и пластид. Напротив, все 28 доменов рибосомных белков архейного происхождения присутствуют в цитоплазматических рибосомах эукариот.
Аналогичная ситуация и с доменами РНК-полимераз. Среди эукариотных доменов архейного происхождения присутствует 7 доменов ДНК-зависимых РНК-полимераз, тогда как в бактериальной группе таких доменов только два, причем один из них связан с транскрипцией митохондриальной ДНК, а второй – пластидной.
… Эукариоты унаследовали от бактерий много метаболических доменов. Многие из них связаны с фотосинтезом и кислородным дыханием. Это не удивительно, поскольку то и другое было получено эукариотами вместе с бактериальным эндосимбионтами – предками пластид и митохондрий.
Кроме того, эукариоты унаследовали именно от бактерий, а не от архей, домены, связанные с микроаэрофильным метаболизмом цитоплазмы и с защитой от токсического действия кислорода, многие домены метаболизма углеводов, белки-предшественники ключевых ферментов синтеза стеролов и, по-видимому, некоторые предшественники белков цитокселета.
… Нуклеоцитоплазма эукариот, по-видимому, представляет собой химерное образование. Ее центральные блоки имеют преимущественно архейное происхождение, а значительная часть «периферии» — бактериальное.
… как выяснилось, в нуклеоцитоплазме присутствует довольно много «бактериальных» доменов, не характерных ни для цианобактерий (предков пластид), ни для альфапротеобактерий (предков митохондрий).
… Если протоэукариоты получили целый ряд генов от каких-то бактерий, не родственных предкам митохондрий и пластид, то когда это произошло: до приобретения органелл или после? Логика подсказывает, что многие из этих событий произошли до приобретения митохондрий. Дело в том, что многие из этих белков, очевидно, были необходимы прото-эукариотам для того, чтобы они смогли приобрести эндосимбионтов. Это и домены, связанные с эластичностью мембран (ферменты синтеза стеролов), и предшественники белков цитоскелета (они необходимы для фагоцитоза), и ферменты метаболизма углеводов (поскольку благодаря им метаболизм нуклеоцитоплазмы становится комплементарным метаболизму митохондрий), и, наконец, сигнально-регуляторные белки «экологического» характера (поскольку прото-эукариоты, прежде чем приобрести эндосимбионтов, очевидно, жили с ними в одном сообществе и должны были эффективно взаимодействовать со своим биотическим окружением). Большинство белков из этих функциональных групп были приобретены прото-эукариотами от бактерий, не родственных будущим эндосимбионтам.
… Похоже на то, что архея, ставшая основой нуклеоцитоплазмы эукариот, на каком-то этапе приобрела аномально высокую способность к инкорпорации чужого генетического материала.
… Вероятно, прото-эукариоты заглатывали и приобретали в качестве эндосимбионтов многих разных бактерий. Активное экспериментирование такого рода и сейчас продолжается у одноклеточных эукариот, обладающих огромным разнообразием внутриклеточных симбионтов (Duval, Margulis, 1995; Bernhard et al., 2000). Из всех этих экспериментов союз с аэробными альфапротеобактериями оказался наиболее удачным и открыл перед новыми симбиотическими организмами огромные эволюционные перспективы. …
https://evolbiol.ru/dok_ibr2009.htm