Большая энциклопедия нефти и газа. Антинаучный метод Валентины Мироновой. Критика и Этика
Уменьшение потенциалов ионизации в группах объясняется увеличением атомного радиуса. При переходе по периоду слева направо потенциалы ионизации закономерно возрастают. Одной из причин этого является уменьшение радиусов атомов.
Для элементов главных подгрупп Периодической системы характерно увеличение атомных радиусов с появлением у атомов нового электронного слоя. Исключение составляют р-элементы III группы, у которых, начиная с галлия, непосредственно проявляется d - сжатие. Увеличение атомных радиусов у d - элементов с появлением нового электронного слоя происходит в меньшей степени (влияние эффекта d - сжатия), причем основная доля такого увеличения приходится на переход от Sd-элементов к 4с (- элементам. Атомы элементов подгруппы скандия непосредственно не испытывают d - и f - сжатия, и поэтому характер изменения атомных радиусов в этой подгруппе напоминает тот, который присущ s - и большинству р-элементов. Влияние f - сжатия можно проследить, хотя и не в столь заметной мере, и для р-элементов VI периода.
Если бы уменьшение было меньше 8 МэВ, в Большом взрыве было бы сформировано примерно равное количество протонов и нейтронов. Все протоны и нейтроны объединялись бы в гелий, не оставляя водорода. Как описано выше, это делает сложную жизнь маловероятной.
Масса нейтрона тонко настроена по отношению к массе протона с точностью до семи процентов или, возможно, меньше. Если различие между массой протона и нейтрона было на несколько меньше, чем на самом деле, вселенная была бы совсем другой, и она не поддерживала бы никакой жизни.
Мы не знаем ни о какой причине, почему нейтрон должен иметь только массу, которую он делает. Возможно, в будущем мы найдем для этого фундаментальную причину. Это не изменит того факта, что его масса должна быть удивительно настроена, если такие люди, как мы, должны существовать во вселенной.
Сокони и катализатора ЮОП в реакции крекинга цетана увеличивается с увеличением атомного радиуса иона щелочного металла. Таким образом был найден следующий порядок: Са К Na Li при прочих равных условиях. Большая эффективность более тяжелых щелочных ионов была приписана их способности покрывать одновременно несколько атомов алюминия, по-видимому, связанных вместе в полимерной цепи на поверхности катализатора. Предполагалось также, что в реакции крекинга цетана падение степени превращения на 1 мэкв каждой щелочи является основной характеристикой каждого из четырех изучавшихся типов катализаторов. Так как этот эффект немного изменялся под воздействием деструктивного прокаливания, то было допущено, что большие участки активных центров погибают при этом прокаливании, причем не происходит изменения расстояний между активными центрами, ответственными за реакцию крекинга.
Однако иметь правильные уравнения само по себе недостаточно, потому что. Простые уравнения могут иметь очень сложные решения, а иногда сложно описать сложные решения простым способом. Из-за присущей сложности нуклонов вы, читатель, должны будете сделать выбор в этот момент: сколько этой сложности вы хотели бы узнать? Независимо от того, как далеко вы уйдете, вы, вероятно, не будете полностью удовлетворены; хотя ответы на ваши вопросы вполне могут стать более просвещенными по мере того, как вы узнаете больше, окончательный ответ остается фактом, что протон и нейтрон сложны.
У элементов любой отдельно взятой группы с возрастанием атомного номера происходит увеличение атомного радиуса и соответственно уменьшение электроотрицательности и энергии ионизации. Металлический характер элементов изменяется в зависимости от их электроотрицательности. В семействах неметаллических элементов первый член каждого семейства значительно отличается от остальных его членов. Кроме того, он обнаруживает намного большую способность к образованию я-связей, чем более тяжелые элементы той же группы.
Рисунок 1: Упрощенное видение протонов, выполненное из двух кварков и вниз кварка, и нейтронов, выполненных из двух вниз кварков и вверх кварка - и ничего больше. Первый уровень понимания. Из каких протонов и нейтронов? Чтобы попытаться упростить задачу, многие книги, статьи и веб-сайты скажут вам, что протоны сделаны из трех кварков и рисуют изображение, подобное изображенному на рисунке. Нейтрон тот же, но с одним кварком и двумя вниз кварками, так как также показано на рисунке.
Более изощренные источники информации скажут вам, что протоны сделаны из трех кварков, которые удерживаются вместе с глюонами, и они могут рисовать изображение, подобное тому, что показано на рисунке 2, с глюонами, нарисованными как пружины или струны, удерживающие кварки вместе. Нейтроны снова те же, но с одним кварком и двумя вниз кварками.
Можно ли увеличение координационных чисел в ряду марганец - рений объяснить исключительно увеличением атомных радиусов элементов.
Переход от семи - к пятивалентному рению, вообще говоря, должен сопровождаться некоторым увеличением атомного радиуса металла.
Можно предполагать, что усиление эффекта сенсибилизации с ростом атомного веса благородного газа связано с увеличением атомного радиуса и, следовательно, с увеличением сечения поглощения ионизирующего излучения.
Рисунок 2: Этот рисунок улучшается на рисунке 1, подчеркивая важную роль сильной ядерной силы в удержании кварков в протоне. Обычно вытянутые пружины предназначены для схематического указания, что в протоне имеются глюоны. Это не совсем так, как описать нуклоны, потому что в нем подчеркивается важная роль сильной ядерной силы, чья связанная с ней частица является глюоном. Но она также внутренне сбивает с толку, отчасти потому, что она действительно не отражает то, что глюоны есть или что они делают.
Таким образом, есть причины идти дальше и описывать вещи, как есть в других местах на этом сайте: протон состоит из трех кварков, множества глюонов и множества пар кварк-антикварк; они все летают с очень высокой скоростью; и вся коллекция собрана сильными ядерными силами. Опять же, нейтроны одинаковы, но с одним кварком и двумя вниз кварками; кварк, личность которого была изменена, отмечена фиолетовой стрелкой. Эти кварки, антикварки и глюоны не только свисают, но они постоянно сталкиваются друг с другом и преобразуют один в другой посредством таких процессов, как поглощение или излучение глюона.
Следует также отметить, что теория столкновений предсказывает увеличение скорости реакции при переходе от хлора к иоду благодаря увеличению атомного радиуса, что находится в противоречии с экспериментальными данными.
В ряду HF - НС1 - НВг - Ш кислотные свойства возрастают, так как в этом ряду падает прочность связи молекул НГ вследствие увеличения атомного радиуса галогенов. Фтороводородная кислота является слабой.
Рисунок 3: Более реалистичное, хотя и еще несовершенное изображение протонов и нейтронов, полное кварков, антикварков и глюонов, движущихся с большой скоростью. Игнорировать цветовое кодирование; это станет более ясным в будущих статьях. Давайте посмотрим, что общего у всех трех описаний.
Двух вверх кварков и вниз кварка для протонного кварка и двух вниз кварков для нейтрона. «другое вещество» в нейтронах по существу такое же, как «другое вещество» в протонах; т.е. все нуклоны имеют один и тот же «другой материал», малая разница в массе между нейтроном и протоном обусловлена главным образом различием между массой вниз кварка и повышающей кварковой массой. Каждая из фигур связывает электрический заряд протона с зарядом двух вверх кварков и одного вниз кварка, причем «другие вещи» вносят нулевой заряд; аналогичным образом электрический заряд нейтрона обусловлен электрическим зарядом одного кварка и двух вниз кварков.
Склонность этих элементов к присоединению электронов выражена слабее, чем у С и Si, что объясняется наличием в предпоследнем слое 18 электронов и увеличением атомных радиусов. Напротив, отдача электронов у них происходит легко и тем легче, чем больше радиус атома элемента.
Наблюдаемые в этих свойствах общие закономерности подобны обсуждавшимся ранее для элементов групп 7А и 6А; с возрастанием атомного номера элемента в пределах группы происходит увеличение атомного радиуса и металлического характера.
Если три описания отличаются друг от друга. Насколько «другой материал» находится внутри нуклона, что там делает этот материал, и откуда приходит масса нуклона и его массовая энергия. На рисунке 1 вы считаете, что кварки составляют в основном одну треть нуклона, несколько способный протон или нейтрон представляет собой одну четверть ядра гелия или одну двенадцатую углеродного ядра. Правильно ли это изображение, кварки в нуклоне будут двигаться относительно медленно с относительно слабыми силами между ними.
Но эта простая картина и идеи, которые идут с ней, просто неверны. На рисунке 3 показан совершенно другой вид протона, как кипящий котел частиц, мчащийся со скоростью, приближающейся к скорости света. Эти частицы сталкиваются друг с другом; в этих столкновениях некоторые из этих частиц уничтожаются, а другие создаются вместо них. Там, где происходит массовая энергия протона, сложна: часть из нее связана с массовой энергией кварков и антикварков, некоторые из них связаны с энергией движения кварков, антикварков и глюонов, а некоторые из это из энергии, накопленной в сильных ядерных силах, необходимых для удержания кварков, антикварков и глюонов вместе для образования протона.
Обращает на себя внимание то, что первый потенциал ионизации в ряду Мп-Тс - Re изменяется немонотонно: от марганца к технецию уменьшается, что связано с увеличением атомного радиуса, а от технеция к рению заметно возрастает, хотя атомные радиусы последних двух элементов близки. Это связано с заметным проникновением 68-электронов рения под экран заполненной 4 / - оболочки. Увеличение первого потенциала ионизации у рения приводит к возрастанию химического благородства этого металла по сравнению с его более легкими аналогами. Все остальные потенциалы ионизации, а также сумма семи потенциалов ионизации убывают от марганца к рению. При этом соответствующие потенциалы ионизации более близки для технеция и рения и отличаются от таковых для марганца, что и подтверждает большее сходство между двумя последними представителями VIIB-группы.
В некотором смысле, рисунок 2 пытается разделить разницу между рисунком 1 и рисунком. Это упрощает рисунок 3, удаляя многие пары кварк-антикварков, которые можно утверждать, являются эфемерными, поскольку они постоянно появляются и исчезают и не являются существенными. Но он имеет тенденцию создавать впечатление, что глюоны, обнаруженные в нуклоне, являются непосредственно частью сильной ядерной силы, которая удерживает протон вместе. И на самом деле не совсем ясно, откуда исходит масса протона.
На рисунке 1 есть еще один недостаток, когда мы смотрим за пределы узких границ протона и нейтрона. На рисунке 2 представлены некоторые из этих проблем. Тем не менее, стоит отметить, что крайняя внутренняя сложность, предусмотренная рисунком 3, следует ожидать для объекта, удерживаемого вместе с силой, столь же сильной, как сильная ядерная сила.
Наибольшее отталкивание атомов водорода происходит в молекуле Н20 (валентный угол 105), наименьшее отталкивание - в молекуле H2Se (валентный угол 91); причина в увеличении атомного радиуса от кислорода к селену.
Когда физики пересматривают свои законы, никакого глобального катаклизма, как правило, не происходит. Однако когда речь идёт о фундаментальных постоянных, на это обращают внимание даже люди, далёкие от науки. Недавно учёный мир всколыхнуло известие о том, что радиус протона, вписанный во все учебники, был посчитан неверно.
Этот язык технически очень полезен во многих контекстах. Но это создает ложное впечатление, что если вы каким-то образом заглянете внутрь протона, и вы посмотрели на определенный кварк, вы могли бы быстро определить, был ли это морской кварк или валентный кварк. Вы не можете этого сделать; нет способа сказать.
Масса протона и нейтрона. Поскольку массы протонов и нейтронов настолько схожи, и поскольку протон и нейтроны отличаются только заменой вверх кварка на вниз кварк, представляется вероятным, что их массы возникают одинаково из того же источника с разностью в их массах из-за небольшого различия между кварками и вниз кварками. Но три приведенные выше цифры показывают три совершенно разных точки зрения, откуда приходит масса протонов.
Водород — один из самых распространённых элементов во Вселенной, и в силу простоты его строения (один электрон кружит вокруг одного протона) атомы водорода, как и их составляющие, изучены, пожалуй, как никакие другие. По крайней мере, так до недавнего времени думали физики.
Однако нынешнее исследование перевернуло всё с ног на голову, ещё раз показав человечеству, что, несмотря на весь научный потенциал и накопленный опыт, мы не слишком хорошо разбираемся даже в элементарных вещах.
И так как разница между массами протонов и нейтронов составляет всего лишь часть процента, разница между массой кварков вверх и вниз также должна составлять часть процента. Какая часть массы протона исходит от глюонов? Но, конечно, из картины видно, что большая часть массы протона исходит из масс кварков, как на рис.
Но на рисунке 3 показан более тонкий способ, с помощью которого фактически протекает масса протона. Это сильно отличается от того, что предлагается на рис. 1 и 2, и не так просто. Полезно классифицировать вклады в массовую энергию протона на три группы.
Героем сенсационной научной работы стал протон. У него нет какой-либо твёрдой оболочки. Это не орех со скорлупой, радиус которой можно измерить напрямую. Но о размерах частицы можно судить по взаимодействию протона с соседом-электроном.
Дело в том, что электрон, обращаясь вокруг протона, может занимать только определённые дискретные энергетические уровни, так называемые орбитали . Часть из них зависит от размеров протона. Потому, определяя «положение» электрона, можно высчитать и радиус положительно заряженной частицы. С 1960-х годов подобные измерения проводились множество раз. Последние данные показали: радиус протона равен 0,8768 фемтометра (1 фм = 10 -15 м).
На рисунке 3 показано, что частицы внутри протона мчатся с большой скоростью, и в протоне много безмассовых глюонов, поэтому вклад больше, чем вклад. Как правило, в большинстве физических систем и оказываются сопоставимыми по размеру, хотя часто и отрицательно! Таким образом, массовая энергия протонов в основном исходит из комбинации и с небольшим вкладом.
Подводя итог всему этому. На рисунке 1 показано, что вклад состоит в том, что массовая энергия протона, полученная на рисунке 2, показывает, что вклад и оба важны, с некоторым влиянием на рис. 3, свидетельствует о том, что и они важны с ограниченным воздействием. И мы знаем, что Рисунок 3 по сути прав. Это потому, что мы можем делать компьютерные симуляции, чтобы проверить это, и потому, что мы знаем, из различных мощных аргументов, которые развивали теоретики, что если массы вверх и вниз кварка были равны нулю, масса протонов едва изменилась бы от того, что мы наблюдаем.
Чтобы удостовериться в своих прежних выводах, а также подтвердить постулаты квантовой электродинамики (QED), физики с 1969 года мечтали провести эксперимент с изменённым атомом водорода — в нём электрон должен был быть заменён на мюон .
Таким образом, казалось бы, массы кварков не могут быть важными факторами в отношении массы протона. Если рисунок 3 прав, массы кварков и антикварков довольно малы. Это означает, что масса любого кварка или антикварка меньше процента массы протона. Отметим также, что это означает, что отношение массы вниз кварка к массе вверх-кварка не близко к единице! Фактически масса вниз кварка примерно вдвое больше массы вверх кварка или больше. Причина, по которой массы нейтронов и протонов настолько близки, заключается не в том, что массы вверх и вниз кварка близки, но массы вверх и вниз кварка очень малы - разница между ними мала относительно протонов и масс нейтронов.
Эта неустойчивая элементарная частица с отрицательным зарядом в 200 раз тяжелее электрона. «Из-за большей массы мюон вращается вокруг протона на более близком расстоянии, а значит, и более чувствителен к его радиусу», — говорит один из исследователей Альдо Антоньини (Aldo Antognini) из швейцарского института Пауля Шеррера (PSI). То есть мюон позволяет более точно определить структуру атома.
И помните, что для превращения протона в нейтрон нужно просто заменить один из его вверх кварков на вниз кварк; что замены достаточно, чтобы нейтрон немного тяжелее протона и сдвиг его электрического заряда от е до нуля. Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, появляются и исчезают в процессе, не влияет на это обсуждение, потому что в каждом таком столкновении энергия сохраняется. Таким образом, масса протона постоянна, несмотря на водоворот внутри.
Это важно, чтобы выпить все это. Насколько это замечательно! Почти вся масса, найденная в обычной материи вокруг нас, представляет собой нуклон в атомах. И большая часть этой массы исходит из хаоса, присущего протону или нейтрону, - от энергии движения нуклонных кварков, глюонов и антикварков и от энергии взаимодействия сильных ядерных сил, которые удерживают нуклон незапятнанным. Да: наша планета, наши тела и наше дыхание - это то, что они есть в результате молчаливого и до недавнего времени невообразимого внутреннего пандемия.
Проблема заключалась в том, что на энергетическом уровне, который необходимо было «поймать» учёным, частица находится в течение всего лишь пары микросекунд. И лишь недавнее развитие технологий позволило команде из 32 физиков, возглавляемой доктором Рандольфом Полем (Randolf Pohl) из института квантовой оптики Макса Планка, провести первые эксперименты с мюонным водородом.
Антоньини (наверху слева) и его коллега Франц Коттманн (Franz Kottmann), а также вид сверху на швейцарский ускоритель (фото PSI).
Поначалу учёные хотели лишь подтвердить полученные ранее данные. Для этого они столкнули облако атомов водорода с потоком мюонов, полученным в ускорителе. В результате неустойчивые частицы вытеснили часть электронов.
Большинство мюонов сразу же расположились на 1s-орбитали (самой низкоэнергетической), в то время как каждый сотый занял более «высокую» 2s-орбиталь. В течение следующей микросекунды (до распада такого мюона) учёные имели возможность осветить изменённые атомы импульсами лазера с частотой, позволяющей «перекинуть» редкие мюоны на более высокую орбиталь (с 2s на 2p).
В дальнейшем эти мюоны «опускаются» на 1s-орбиталь, а «лишнюю» энергию испускают в виде рентгеновских лучей. При этом разница между энергетическими уровнями, определяемая размерами протона, влияет на частоту рентгеновского излучения.
Иллюстрация переходов мюонов и излучение, испускаемое в процессе перескока частиц между орбиталями (иллюстрация Nature).
В 2003 и 2007 годах физики неоднократно проводили описанный выше эксперимент, но не получали излучение с прогнозируемой (по общепринятому радиусу протона) частотой. Долгое время они полагали, что виной тому аппаратура. И лишь летом 2009 года решили расширить «зону охвата».
В результате ими было пойманы лучи, которые свидетельствовали о том, что радиус изучаемой частицы – 0,8418 фм. «Мы очень удивились и до сих пор не можем объяснить, откуда появилось такое расхождение», — комментирует Антоньини.
Оказалось, что радиус протона на 4% меньше заявленного. Для обычного человека минус 0,00000000000003 миллиметра – сущие мелочи, а вот учёные не на шутку поразились новым данным. Ведь они никак не согласовывались не только с прежними выводами, но и с расчётами квантовой электродинамики.
Будь разница однопроцентной и менее, физики чувствовали бы себя спокойнее. Но 4% — это уже слишком! Для сравнения: разработанная физиками-теоретиками квантовая электродинамика в некоторых случаях «ошибалась» лишь на сотни миллионных долей процента.
Сравнение результатов, полученных разными методами. Планки отражают допустимую ошибку (иллюстрация Nature).
«Теоретики сразу сказали нам, что такое сильное расхождение в экспериментальных данных невозможно», — рассказывает Рандольф.
Будет ли пересмотрен радиус протона, найдут ли ошибку в предыдущих опытах и расчётах, придётся ли изменять устоявшиеся законы квантовой механики или вовсе пересматривать физику частиц, пока говорить рано. Мнения самих учёных сильно расходятся.
Многие, и прежде всего представители Комитета по данным для науки и техники , полагают, что ошиблась именно команда Поля. «Слишком серьёзное несоответствие. В каком-то месте должна быть ошибка», — полагает Инго Сик (Ingo Sick) из университета Базеля (Universität Basel). Он попытался примирить 40 лет прежних измерений и новые данные. Судя по вышесказанному, найти просчёт ему самому пока не удалось.
Если же нынешние выводы подтвердятся, то шуму, скорее всего, будет больше, чем вокруг начала работы Большого адронного коллайдера (LHC). Вполне возможно, что вслед за квантовой электродинамикой придётся пересмотреть и Стандартную модель (Standard Model), описывающую все взаимодействия элементарных частиц, кроме гравитационного.
Вся эта электроника просчитывает данные с детекторов мюонов и рентгеновского излучения (фото PSI).
Впрочем, может быть и так, что физики по обе стороны баррикад всё сделали правильно. Тогда на сцену может выйти ещё одно альтернативное объяснение. Учёные до сих пор отмечают, что внутреннее строение протона ими изучено слабо. Элементарная частица тоже неоднородна – состоит из