Почему масса нейтрона больше массы протона
Перейти к содержимому

Почему масса нейтрона больше массы протона

  • автор:

Почему масса нейтрона больше массы протона

Масса атомного ядра – одна из важнейших его характеристик. Измерения масс атомных ядер показали, что масса ядра отличается от суммы масс свободных протонов и нейтронов, входящих в его состав. Выраженная в энергетических единицах разность между массой ядра M(A,Z) и суммой масс свободных Z протонов и (A — Z) нейтронов называется энергией связи ядра Eсв

Она определяет минимальную энергию, которую надо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны.
Основные методы измерения масс атомных ядер (более подробно описанные в [10]):

  • метод магнитного анализа: магнитная жесткость спектрометра Br, масса ядра M, его скорость v и заряд q связаны соотношением Br = Mv/q, где B – напряженность магнитного поля, r – радиус поворота иона в магнитном поле;
  • метод времени пролёта: в этом случае масса иона Mиона определяется из соотношения Br = MионаL/qT, где L – расстояние между детекторами, с помощью которых измеряется время T пролета ионом расстояния L;
  • измерение циклотронной частоты: частота ω иона, вращающегося в постоянном магнитном поле B, связана с его массой M и зарядом q соотношением B/ω = M/q;
  • измерение энергии реакции Q: в двухчастичной реакции A + a → b + B массы ядер связаны соотношением MA + Ma = MB + Mb + Q/c 2 ; если известны массы трех частиц, то масса четвертой частицы определяется по результатам измерения энергии реакции Q;
  • измерение α-спектров: для α-радиоактивных ядер масса ядра A → B + α определяется из анализа энергетических спектров α-частиц
  • измерение энергии β-распада Qβ: масса ядра, испытывающего β-распад A → B + e — (e + ) + ee), определяется из соотношения

В ядерной физике вместо массы ядра М используют (в соответствии с соотношением Эйнштейна E = Мc 2 ) её энергетический эквивалент Мc2, причём в качестве единицы энергии используется 1 электрон-вольт (эВ) и его производные:

1 килоэлетронвольт (кэB) = 10 3 эB, 1 мегаэлектровольт (МэB) = 10 6 эВ, 1 гигаэлетронвольт (ГэВ) = 10 9 эВ, 1 тераэлетронвольт (ТэB) = 10 12 эВ и т.д.

1 эВ − это энергия, приобретаемая частицей, имеющей единичный электрический заряд, при прохождении в электрическом поле разности потенциалов в 1 вольт,
1 эВ = 1.6·10 -12 эрг = 1.6·10 -19 Дж.
В энергетических единицах 1 а.е.м. = 1 u = 931.494 МэВ/c 2 .
Массы протона и нейтрона в энергетических единицах имеют следующие величины:
mp ≈ 1.0073u ≈ 938.272 MэВ/c 2 , mn ≈ 1.0087u ≈ 939.565 MэВ/c 2 . С точностью ~1% массы протона и нейтрона равны одной атомной единице массы (1 u).

Почему нейтрон тяжелее протона?

Как с точки зрения физика объяснить, почему нейтрон тяжелее протона?

iskander
#16409 2013-10-01 09:42 GMT

Это все равно что спросить: почему Земля массивнее Марса?

разомасов
#19463 2014-09-16 09:13 GMT

485 сообщений
Откуда: красноярск
Кто: пенсионер
Возраст: 71

Попробуйте с точки зрения физики объяснить распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино электронное.

Count_May
#19469 2014-09-16 19:51 GMT

1133 сообщений
Откуда: Петербург
Кто: ier

С точки зрения физики, как правильно Вы отметили, нейтрон в свободном состоянии нестабильная частица (радиоактивная). Его масса больше массы протона и частиц распада примерно в сумме на 0.76 эВ. которая и переходит в кинетическую энергию частиц при распаде. Иначе говоря, масса нейтрона определилась энергией связи между составляющими.

разомасов
#19480 2014-09-18 19:29 GMT

485 сообщений
Откуда: красноярск
Кто: пенсионер
Возраст: 71

Будем считать вопрос закрытым?

Иванов Иван И
#19718 2014-10-13 18:54 GMT

2 сообщений
Откуда: г.Тюмень
Кто: гений

Прежде всего, хочу отметить не правильное понимание современной физикой понимание нейтрона. Нейтрон, это ядро атома не способных по физическим условиям к делению (расщеплению), но утратившее свое окружение (структуру) в следствие молекулярного каллапса. Условия стабилизации (не радиоактивность): наличие в среде атомов водорода, гелия и т.п. Банальный пример, технологический: при производстве искусственных алмазов, природный: образование углеводородов, металлов, тех же алмазов в толще земной коры, условие: отсутствие деформаций, разрушений в окружающей среде, если эти условия соблюдены при огромной гравитации (силы тяжести) происходит атомарный и молекулярный сдвиг (мечта древних алхимиков).

Count_May
#19720 2014-10-13 21:29 GMT

1133 сообщений
Откуда: Петербург
Кто: ier

Есть люди, не получившие нужного образования, или не сумевшие понять того, чему их учили. «Паталоги», как их иногда называют. Не обязательно лженаука, но встречаются и «добросовестно заблуждающиеся». Одни выступают против теории относительности, другие — против квантовой механики или теоремы Пифагора. Мысли и содержание которых могут меняться в процессе изложения их туманных идей. Их представления о законах природы обыкновенно путанны и противоречивы. Желание опровергнуть закономерности, которые легли в основу фундаментальных знаний, иногда выходит за рамки разумного.

разомасов
#19920 2014-10-29 14:01 GMT

485 сообщений
Откуда: красноярск
Кто: пенсионер
Возраст: 71

Совершенно с Вами согласен. Но не надо обижаться на пианистов — каждый играет как умеет — главное, что любят музыку. Кстати, многие из них иногда выдают классные аккорды. По моему мнению нейтрон примечателен тем, что он, спустя 1000 секунд после появления, рождает два разно знаковых заряда. Именно заряда — частица может быть какая угодно, а заряд — это основной энергетический кирпичик материи, на котором держится её целостность. Отсюда можно сделать вывод — нейтрон это первородная частица, которая образуется где-то в мироздании для того, чтобы произвести на свет основные составляющие атомов (материи) — протоны и электроны. Я даже знаю, где он рождается. Вопрос о разнице масс — вопрос для школьников.

Эта тема закрыта, публикация новых сообщений недоступна.

Последние комментарии

Уважаемые пользователи! Наш проект переводится на VPS. » Что такое VPS?

Поломка прибора помогла решить 60-летнюю квантовую загадку » Ну! ДА ! тупо полез ремонтировать сам не заня что А если.Знал и проверял Т.

Ученые рассчитали точное замедление времени и подтвердили. » #647 Kulikov2000 : Замечено, что опровергают стандартно не СТО Эйнштейна, а собственные ф.

Сотрудничество » Вас интересует работа с такой аннотацией? Не смотря на то, что закон, по которому можно рас.

Почему масса нейтрона больше массы протона

Масса ядра измеряется в атомных единицах массы (а.е.м). За одну атомную единицу массы принимается 1/12 часть массы нейтрального атома углерода 12 С:

1а.е.м = 1.6606 10 -27 кг.

А.е.м. выражается через энергетические единицы:

1а.е.м = 1.510 -3 эрг = 1.510 -10 Дж = 931.49 МэВ

Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

Избыток масс Δ связан с массой атома Mат(A,Z) и массовым числом A соотношением:

Энергия связи ядра Eсв(A,Z) это минимальная энергия, необходимая, чтобы развалить ядро на отдельные, составляющие его нуклоны.

где Z — число протонов, ( A — Z) — число нейтронов, mp — масса протона, mn — масса нейтрона, М(A,Z) — масса ядра с массовым числом А и зарядом Z.
Энергия связи ядра, выраженная через массу атома Mат, имеет вид:

где mH — масса атома водорода.

Удельная энергия связи ядра ε(A, Z) это энергия связи, приходящаяся на один нуклон

На рис. 1 показана зависимость удельной энергии связи ядра ε от числа нуклонов A. Видно, что наиболее сильно связаны ядра в районе железа и никеля (A ~ 55-60). Такой ход зависимости ε(A) показывает, что для легких ядер энергетически выгодны реакции синтеза более тяжелых ядер, а тяжелых − деление на более легкие осколки.

Используется также понятие энергия связи (отделения) частицы в ядре

Энергия отделения нейтрона

Энергия отделения протона

Энергия отделения α-частицы

Ликбез RnD.CNews: все, что нужно знать о нейтронах

Нейтроны — это субатомные частицы, которые находятся внутри ядра каждого атома наряду с протонами. Это важный инструмент для исследований в самых разных научных областях.

23.08.2023, СР, 12:38, Мск

Ученые производят нейтроны на исследовательских реакторах и ускорителях частиц, а также используют их для изучения структуры кристаллов, материалов и жидкостей.

Нейтроны находятся в каждом атоме, но единственным исключением является водород, ядро ​​которого содержит только один протон. Нейтроны имеют нейтральный электрический заряд (не отрицательный и не положительный) и немного большую массу, чем положительно заряженные протоны.

«Свободные» нейтроны — это те, которые не заключены внутри ядра. В таком случае они образуются в результате ядерных процессов деления и синтеза.

Схема модели атома. Нейтроны выделены красным

В то время как количество протонов определяет, каким элементом является атом, количество нейтронов в ядре может варьироваться — по их числу различают изотопы элемента. Например, обычный водород содержит один протон и не содержит нейтронов, но изотопы водорода — дейтерий и тритий — имеют один и два нейтрона соответственно наряду с протоном.

Нейтроны — составные частицы, и они состоят из трех меньших элементарных частиц, называемых кварками. Они удерживаются вместе сильным взаимодействием. В частности, нейтрон содержит один «верхний» и два «нижних» кварка.

Некоторые нейтроны взаимодействуют непосредственно с атомами в образце и «отскакивают» под разными углами, как шары, сталкивающиеся при игре в бильярд. Этот метод называется рассеянием нейтронов. Ученые используют специальные высокоскоростные детекторы для улавливания рассеянных нейтронов и измерения их энергии, скорости и направления. Полученная информация помогает рассчитать свойства материалов, такие как форма и размеры кристаллов и молекул.

Нейтроны также могут быть неразрушающим способом анализа свойств материалов, так как они не повреждают материалы во время испытаний, как другие методы. Более того, в науке нейтроны использовались даже для изучения археологических артефактов. Еще нейтроны применяли для судебно-медицинской экспертизы волос американского президента Закари Тейлора, чтобы доказать, что он не был отравлен в 1850 году.

После того как Эрнест Резерфорд открыл в 1911 году, что атомы имеют ядро, а девять лет спустя обнаружил, что атомные ядра, по крайней мере частично, состоят из протонов, последовало и открытие нейтрона в 1932 году Джеймсом Чедвиком. В 1935 году Чедвик получил Нобелевскую премию за свое открытие.

Идея о том, что в ядре атома должно быть что-то еще, возникла из-за того, что количество протонов не соответствовало атомной массе атома. Например, атом кислорода содержит 8 протонов, но имеет атомную массу 16, что позволяет предположить, что он содержит 8 других частиц. Однако эти частицы должны быть электрически нейтральными, поскольку атомы обычно не имеют общего электрического заряда (отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд протонов).

Масса и заряд нейтронов

Нейтроны электрически нейтральны, поэтому у них нет заряда. Их масса в 1,008 раза больше массы протона — другими словами, они примерно на 0,1% тяжелее.

Нейтроны не «любят» существовать сами по себе вне ядра. Энергия ядерной связи между ними и протонами в ядре сохраняет их стабильность, но когда они оказываются сами по себе, то подвергаются бета-распаду примерно через 15 минут, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино.

Альберт Эйнштейн в своем знаменитом уравнении E = mc2 утверждал, что масса и энергия эквивалентны. Хотя массы нейтрона и протона лишь немного различаются, эта небольшая разница означает, что нейтрон имеет большую массу и, следовательно, большую энергию, чем протон и электрон вместе взятые. Вот почему при распаде нейтрона образуются протон и электрон.

Изотопы и радиоактивность

Изотоп — разновидность элемента, в котором преобладают нейтроны. Например, мы уже упоминали изотопы водорода дейтерий и тритий, которые имеют 1 и 2 дополнительных нейтрона соответственно.

Некоторые изотопы стабильны, например, дейтерий. Другие нестабильны и неизбежно подвергаются радиоактивному распаду. Тритий нестабилен — его период полураспада (время, за которое в среднем распадается половина заданного количества изотопа) составляет около 12 лет. Другие изотопы распадаются гораздо быстрее, в считанные минуты, секунды или даже доли секунды.

Дейтерий. Изображение: архив Большой Российской Энциклопедии

Нейтроны также являются важными инструментами в ядерных реакциях, в частности, при вызове цепной реакции. Нейтроны, поглощаемые атомными ядрами, создают нестабильные изотопы, которые затем подвергаются ядерному делению — расщеплению на два меньших дочерних ядра других элементов. Например, когда уран-235 поглощает лишний нейтрон, он становится нестабильным и распадается на части, высвобождая при этом энергию.

Нейтроны также играют важную роль в создании тяжелых элементов в массивных звездах посредством механизма, известного как r-процесс (от англ. rapid — «быстрый»). Этот процесс был впервые подробно описан в 1957 году в удостоенной Нобелевской премии статье B²FH. В ней описывалось происхождение элементов посредством звездного нуклеосинтеза.

Звезды, подобные Солнцу, могут производить элементы кислорода, азота и углерода в результате ядерных реакций синтеза. Более массивные звезды могут продолжать существовать и создавать оболочки из все более тяжелых элементов вплоть до железа-56 в ядре звезды. В этот момент реакции требуют, чтобы для сплавления элементов тяжелее железа в них вкладывалось больше энергии, чем та, которая производится в результате этих реакций. Поэтому эти реакции прекращаются, как и производство энергии, и ядро ​​звезды коллапсирует, вызывая взрыв. И именно во время невероятно мощного взрыва сверхновой условия могут стать достаточно экстремальными, чтобы высвободить множество свободных нейтронов за короткий промежуток времени.

Художественная концепция взрыва сверхновой

При взрыве сверхновой атомные ядра способны захватить все эти свободные нейтроны до того, как они все распадутся (вот почему процесс описывается как быстрый), чтобы спровоцировать r-процесс нуклеосинтеза. Как только ядра заполнятся нейтронами, они становятся нестабильными и подвергаются бета-распаду, а дополнительные нейтроны превращаются в протоны. Добавление этих протонов изменяет тип элемента, которым является ядро. Таким образом, мы наблюдаем создание новых тяжелых элементов, таких как золото, платина и другие драгоценные металлы.

Только в самых экстремальных условиях нейтроны могут выжить вне атомных ядер. Так, нейтронные звезды — это объекты, почти полностью состоящие из нейтронов. Они представляют собой остаток от ядра звезды после того, как она претерпела коллапс ядра и взорвалась как сверхновая. Взрыв, возможно, унес внешние слои звезды, но сжимающееся ядро ​​осталось нетронутым.

Нейтронная звезда со сверхмощным магнитным полем. Изображение: Astrophysical Journal Letters

При отсутствии ядерных реакций, вырабатывающих энергию для противодействия гравитации, масса ядра настолько велика, что оно подвергается катастрофическому гравитационному коллапсу, при котором гравитационное давление достаточно велико, чтобы протоны и электроны могли преодолеть электростатическую силу между ними и столкнуться друг с другом, сливаясь в своего роде обратном бета-распаде с образованием нейтронов.

Почти все атомы в ядре превращаются в нейтроны, поэтому мы называем результат нейтронной звездой. Они маленькие, всего 10-20 км в поперечном разрезе, но вмещают всю массу ядра мертвой звезды.

Самая массивная нейтронная звезда, которая когда-либо была обнаружена, имеет массу в 2,35 раза больше, чем наше Солнце.

Кадр из анимации, показывающий последствия столкновения двух нейтронных звезд, которые слились в объект под названием GW170817 (710)

Слияния двойных нейтронных звезд, которые обнаруживаются астрофизиками как килоновые и их гравитационные волны, также являются местами обильного нуклеосинтеза r-процесса. Килоновая двух сливающихся двойных звезд, выпустивших гравитационно-волновой всплеск GW 170817, произвела тяжелых элементов массой, в 16 000 раз превышающей массу Земли, причем золота и платины было примерно на десять масс Земли!

По сути, все вокруг нас представляет собой слабый естественный «фон» из свободных нейтронов, созданный космическими лучами, входящими в нашу атмосферу, и естественной радиоактивностью земной коры.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *