Элементарные частицы материи

к.х.н. Абдульмянов А.Р.

Уже очень давно люди поняли, что материя не непрерывна, а состоит из мельчайших частиц, которые были названы атомами (с древнегреческого «неделимый»). Однако современная наука сейчас надежно установила, что атомы вполне себе делимы и состоят из более мелких субатомных частиц. О них мы здесь и поговорим.

Нуклон. Изотопы

Нуклоны (от лат. nucleus «ядро») — это частицы, входящие в состав ядра атома. Нуклон может существовать в двух состояниях: в виде частиц с положительным зарядом (такие нуклоны называются протонами) и частиц, не имеющих электрического заряда (их называют нейтронами).

Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, на которую приходится 99,9% массы всего атома.

Атомы каждого химического элемента имеют строго определенное количество протонов в ядре, которое равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. На рисунке ниже схематично изображен состав четырех ядер атома водорода, отличающихся только количеством нейтронов в ядре. Такие атомы называются изотопами.

Слева от символа химического элемента в верхнем индексе пишут суммарное количество нуклонов в ядре (протоны + нейтроны). В нижнем индексе указывают количество протонов (по сути заряд ядра).

На самом деле изотопов водорода сейчас известно больше — 7. Все изотопы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами и расположены в одной клетке периодической системы. Зато физические свойства отличаются. Некоторые изотопы стабильны, а другие являются неустойчивыми и подвергаются радиоактивному распаду.

Но даже химические свойства изотопов одинаковы только в первом приближении. Например, это особенно явно проявляется для изотопов водорода. Самый распространенный в природе H-1 (протий) гораздо легче H-2 (дейтерия). Такое различие в массе влияет на упругость пара над легкой и тяжелой водой. Это приводит к изменениям концентрации веществ, влияет на постоянные химического равновесия, от которых зависит то, как будут протекать реакции. Для более тяжелых элементов разница масс изотопов уже не такая большая, и это практически не влияет на их химические свойства.

Легкие частицы (лептоны)

Электроны

Неделимые частицы, имеющие отрицательный элементарный заряд -1. По сути являются квантами электричества. Они окружают положительно заряженное ядро электронным облаком. Каждый электрон размещается на своей орбитали — области пространства, где он проводит большую часть своего времени. Размеры и формы электронных орбиталей вычислены расчетными квантово-механическими методами.

Масса электрона настолько мала по сравнению с массой нуклона, что она практически не влияет на массу всего атома. Чаще всего ей просто пренебрегают, если дело не касается расчетов энергии связи в ядре.

В электронейтральном атоме число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов внутри него. Таким образом выполняется принцип электронейтральности. Когда атом теряет или приобретает электроны, он превращается в заряженную частицу.

Cхема электронных орбиталей атома неона. Количество электронов равно порядковому номеру элемента.

Позитроны

Позитрон — это античастица электрона. От электрона отличается только зарядом, который противоположен по знаку и равен +1. Масса позитрона и электрона одинакова. Позитрон может образоваться в результаты радиоактивного распада ядра вместе с электроном. Этот процесс называется «рождением пар». Эта частица является антиматерией и долго существовать в свободном виде не может. Поэтому после рождения очень быстро «аннигилирует», сталкиваясь с первым встретившимся электроном вещества. При аннигиляции позитрона и электрона выделяется фотон, энергия которого равна их сумме.

Cхема аннигиляции электрон-позитронной пары.

Нейтрино

Нейтральные элементарные частицы (лептоны), которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино практически не взаимодействует с материей (очень слабо), проникая сквозь неё. Именно поэтому нейтрино очень сложно зарегистрировать. Масса нейтрино не нулевая, но она очень мала. Эти частицы образуются в процессе радиоактивного бета-распада.

В процессе 𝛽+-распада протон ядра превращается в нейтрон, излучая позитрон и нейтрино:

p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}.

В процессе 𝛽-распада нейтрон ядра превращается в протон, излучая электрон и антинейтрино:

n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar  {\nu }}_{e}