Ликбез все что нужно знать о нейтронах

Эффект Доула и введение слова кислород в русский язык

В атмосфере Земли наблюдается повышенное содержание тяжелого изотопа 18О по сравнению с содержанием в морской воде. Это явление называется эффектом Доула. Он возникает из-за того, что для дыхания предпочтительно используется более лёгкий и реакционноспособный 16O, что увеличивает относительный объём 18O в атмосфере.

История слова кислород

Слово кислород появилось в русском языке благодаря М. В. Ломоносову, который ввёл его в употребление в начале XIX века. Он также предложил слово кислота. Термин кислород является калькой слова оксиген (фр. oxygène), предложенного А. Лавуазье, который переводится как порождающий кислоту.

Открытие ядра атома и изотопов кислорода

После открытия в 1911 году Эрнестом Резерфордом того, что атом имеет ядро, и в 1932 году открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком, стало ясно, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Из-за несоответствия количества протонов и атомной массы атома, возникла идея о существовании изотопов.

Изотопы кислорода

Кислород имеет три устойчивых изотопа: 16O, 17O, и 18O. Найденные радиоактивные изотопы кислорода имеют малые периоды полураспада. Например, 15O имеет период полураспада около 120 секунд, в то время как 12O существует всего лишь 5,8 x 10^-22 секунды.

Заключение

Изотопы кислорода являются разновидностями химического элемента с разным количеством нейтронов в атомном ядре. В заключительной стадии жизни массивной звезды, 16O сконцентрирован в кислородной оболочке, 17O в H-оболочке, и 18O в He-оболочке.

Текущая версия страницы не проверялась опытными участниками и может отличаться от версии, проверенной 20 июля 2021 года; проверки требуют 13 правок.

Приложение к сельскому хозяйству

Кислород также применяется в сельском хозяйстве для обогащения почвы, увеличения урожайности, улучшения качества сельскохозяйственной продукции. Такие методы, как аэропоника и гидропоника, активно используют кислород для роста и развития растений.

Применение в медицине

Еще одна область применения кислорода – медицина. Он используется для насыщения крови, лечения ряда заболеваний, а также в случаях отека легких. Кислородные концентраторы широко используются в медицинских учреждениях, а также дома для поддержания оптимального уровня кислорода в организме.

Кислород является важным элементом в различных отраслях промышленности, медицине и научных исследованиях. Он играет решающую роль в жизни на Земле и является неотъемлемой частью многих процессов.

Важность кислорода в естественных и искусственных условиях

В тепличном хозяйстве, при производстве кислородных коктейлей, добавлении в весе у животных и обогащении кислородом водной среды в рыбоводстве, кислород играет ключевую роль.

Свойства кислорода

• Кислород является газом без цвета, вкуса и запаха.
• Литр кислорода при нормальных условиях имеет массу, слабо растворяется в воде и спирте, и хорошо растворяется в расплавленном серебре и перфторированных углеводородах.
• Межатомное расстояние в кислороде демонстрирует его парамагнитные свойства.

Фазы кислорода

Твёрдый кислород представлен синими кристаллами, известно шесть кристаллических фаз кислорода. Три из них существуют при нормальном давлении, а остальные три при высоких давлениях.

История открытия кислорода

Кислород был открыт несколькими учеными. В 1771 году его получил шведский химик Карл Шееле, а в 1775 году открытием поделился английский химик Джозеф Пристли. Значительный вклад в понимание природы кислорода внес французский химик Антуан Лавуазье, который доказал его составную часть воздуха и ряде веществ.

Выводы Лавуазье опровергли флогистонную теорию огня, согласно которой вещества теряют вес при сгорании из-за выделения флогистона. Он показал, что вес золы при горении превышал исходный вес вещества, что свидетельствовало о химической реакции окисления.

Таким образом, благодаря усилиям ученых Пристли, Шееле и Лавуазье была раскрыта природа кислорода и опровергнута устаревшая теория флогистона.

Нейтронные звезды: Гиганты из нейтронов

Только в самых экстремальных условиях нейтроны могут выжить вне атомных ядер. Нейтронные звезды — это объекты, почти полностью состоящие из нейтронов, представляют собой остаток от ядра звезды после коллапса ядра и взрыва как сверхновая. Взрыв, возможно, унес внешние слои звезды, но сжатое ядро осталось нетронутым.

Сверхмощное магнитное поле

При отсутствии ядерных реакций, производящих энергию для противодействия гравитации, масса ядра настолько велика, что оно подвергается катастрофическому гравитационному коллапсу. Это приводит к гравитационному давлению, достаточному для слияния протонов и электронов в нейтроны.

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

Самая массивная нейтронная звезда, когда-либо обнаруженная, имеет массу в 2,35 раза больше, чем у нашего Солнца.

Нейтронные звезды и килоновые события

Слияния двойных нейтронных звезд обнаруживаются астрофизиками как килоновые события, высвобождающие гравитационные волны. Они являются местами интенсивного нуклеосинтеза r-процесса. Слияние двойных звезд, производящих гравитационный всплеск GW 170817, привело к образованию тяжелых элементов, массой в 16 000 раз превышающей массу Земли.

Все вокруг нас состоит из слабого естественного фона свободных нейтронов, образованных космическими лучами, входящими в нашу атмосферу, и естественной радиоактивностью земной коры.

Таблица: Различные способы образования нейтронов

Пояснения к таблице

Нейтроны являются субатомными частицами, находящимися в ядрах атомов наряду с протонами. Это важный способ исследования в различных областях науки. Ученые производят нейтроны на исследовательских установках и ускорителях частиц для изучения структуры различных материалов и жидкостей.

Нейтроны присутствуют в каждом атоме, за исключением водорода. Они имеют нейтральный заряд и немного большую массу, чем протоны. Свободные нейтроны образуются в результате ядерных процессов.

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.

Запрос «Oxygen» перенаправляется сюда; о других значениях см. Oxygene.

Кислоро́д (химический символ — O, от лат. ) — химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы шестой группы, VIA), второго периода периодической системы Д. И. Менделеева, с атомным номером 8.

8↓Периодическая система элементов

Внешний вид простого вещества

Название, символ, номер Кислоро́д / Oxygenium (Oxygen)(O), 8

Группа, период, блок 16 (устар. 6), 2, p-элемент

Радиус атома 60 (48) пм

Радиус иона 132 (-2e) пм

Электроотрицательность 3,44 (шкала Полинга)

Степени окисления –2, −1, –½, –⅓, 0, +½, +1, +2

Энергия ионизации (первый электрон) 1313,1 (13,61) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность (при н. у.) 0,00142897 г/см³

Температура плавления 54,8 К (-218,35 °C)

Температура кипения 90,19 К (-182,96 °C)

Мол. теплота плавления 0,444 кДж/моль

Мол. теплота испарения 3,4099 кДж/моль

Давление насыщенного пара (Па)1101001000при (К)617390

Кристаллическая решётка простого вещества

Параметры решётки a=5,403 b=3,429 c=5,086 β=135,53 Å

Наиболее долгоживущие изотопы

Основная статья: Изотопы кислородаИзотопРаспростра-нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада 16O 99,76% стабилен – – 17O 0,04% стабилен – – 18O 0,20% стабилен – –

Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов.

Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O3). Систематическое название: трикислород. Часто можно почувствовать запах озона после грозы. Озон образует озоновый слой в стратосфере, который образуется там за счёт ионизации кислорода ультрафиолетом.

Сильный окислитель, самый активный неметалл после фтора, образует бинарные соединения (оксиды) со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона, фтора (с фтором кислород образует фторид кислорода, так как фтор более электроотрицателен, чем кислород). Наиболее распространённая степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:

Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:

Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения:

При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:

Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором (см. ниже #Фториды кислорода).

Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.

В этой реакции кислород проявляет восстановительные свойства.

Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.

Пространство в представлениях Демокритапространство заполнено атомами и пустотойпространство без тел не бываетатомы движутся в пустотев природе нет пустоты

пространство заполнено атомами и пустотойатомы движутся в пустоте

Свойства пространства в представлениях Эйнштейначетырехмерное, время дополнительная координата пространстватрехмерное, бесконечноенепрерывное, однородноеотносительно, способно искривляться

четырехмерное, время дополнительная координата пространстваотносительно, способно искривляться

Характеристики пространства по Лобачевскомусумма внутренних углов треугольника равна 180параллельные прямые могут пересекатьсячерез две точки можно провести несколько прямыхчерез две точки можно провести одну прямую

Ключевое слово определения пространства в физикекоординатапорядокфигураотношение

Физика дает следующее определение пространства: это выражение порядка сосуществования отдельных объектов.

Событие важное для политической хронологиинаходка ископаемых останков, определение возраста породизвержение вулкана, землетрясениесмерть царя, основание городасолнечное затмение, появление кометы

Животное олицетворяющее восьмой год цикла восточного (китайского календаря)обезьянасвиньядраконкрысазмеялошадьсобакакроликовцапетухбык

Примеры НЕ обратимых временных процессовизлучение, возрастание энтропии в замкнутых системахсутки, месяц, годэволюция, радиоактивный распадвращение планет вокруг Солнца, Солнечные затмения, Лунные затмения

излучение, возрастание энтропии в замкнутых системахэволюция, радиоактивный распад

Если тело двигается со скоростью приближающейся к скорости света егомасса уменьшается, а размер увеличиваетсямасса уменьшается вместе с размероммасса увеличивается вместе с размероммасса увеличивается, а размер уменьшается

Следствие специальной теории относительности: одновременность двух пространственно разделенных событий не есть абсолютное свойство самих событий, а лишь следствие способа их рассмотренияэквивалентность массы и энергииотносительность расстояний (релятивистское сокращение длин)относительность промежутков времени (релятивистское замедление времени)относительность одновременности

Характеристики пространства по Евклидусумма внутренних углов треугольника равна 180параллельные прямые могут пересекатьсячерез две точки можно провести несколько прямыхчерез две точки можно провести одну прямую

сумма внутренних углов треугольника равна 180через две точки можно провести одну прямую

Ключевое слово определения пространства в математикекоординатапорядокфигура отношение

Событие важное для астрономической хронологиинаходка ископаемых останков, определение возраста породизвержение вулкана, землетрясениесмерть царя, основание городасолнечное затмение, появление кометы

Токсичные производные кислорода

Некоторые производные кислорода (т. н. реактивные формы кислорода), такие, как синглетный кислород, пероксид водорода, супероксид, озон и гидроксильный радикал, являются токсичными и реакционноспособными продуктами. Они образуются в процессе активирования или частичного восстановления кислорода. Супероксид (супероксидный радикал), пероксид водорода и гидроксильный радикал могут образовываться в клетках и тканях организма человека и животных и вызывают оксидативный стресс.

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.

Нахождение в природе

Накопление O2 в атмосфере Земли. Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка. 1. (3,85—2,45 млрд лет назад) — O2 не производился 2. (2,45—1,85 млрд лет назад) — O2 производился, но поглощался океаном и породами морского дна 3. (1,85—0,85 млрд лет назад) — O2 выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя 4. (0,85—0,54 млрд лет назад) — все горные породы на суше окислены, начинается накопление O2 в атмосфере 5. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) — современный период, содержание O2 в атмосфере стабилизировалось

Учёные получили невиданную ранее форму кислорода

Время на прочтение

Флакон сверхчистого кислорода

Недавно обнаруженный изотоп кислорода опровергает все наши представления о том, как он должен себя вести.

Это кислород-28 с самым большим числом нейтронов, когда-либо наблюдавшихся в ядре атома кислорода. И хотя учёные считают, что он должен быть стабильным, он быстро распадается, что ставит под сомнение все наши представления о «магическом» количестве частиц в ядре атома.

Ядро атома состоит из субатомных частиц: протонов и нейтронов. Атомный номер элемента определяется числом протонов, а число нейтронов может варьироваться. Элементы с разным числом нейтронов называются изотопами; у кислорода есть 8 протонов, но может быть разное число нейтронов.

Ранее наибольшее число нейтронов наблюдалось в изотопе кислород-26: 18 (8 протонов плюс 18 нейтронов = 26 нуклонов).

Теперь группа специалистов под руководством физика-ядерщика Йосуке Кондо из Токийского технологического института (Япония) обнаружила два ранее не встречавшихся изотопа кислорода: кислород-27 и кислород-28 — содержащие 19 и 20 нейтронов соответственно. Работа проводилась на пучковой фабрике радиоактивных изотопов RIKEN – циклотронном ускорителе, предназначенном для получения нестабильных изотопов.

Сначала команда выпустила пучок изотопов кальция-48 на бериллиевую мишень, чтобы получить более лёгкие атомы, в том числе фтор-29 — изотоп фтора с 9 протонами и 20 нейтронами.

Затем этот фтор-29 отделили, и столкнули с мишенью из жидкого водорода, чтобы отбить протон в попытке создать кислород-28.

Попытка оказалась успешной, но неожиданной. И кислород-27, и кислород-28 нестабильны, они существуют какое-то мгновение, прежде чем распасться на кислород-24 и 3 или 4 свободных нейтрона, и вот тут-то для кислорода-28 всё становится интересным.

И 8, и 20 — «магические» числа для протонов и нейтронов соответственно, и это свойство говорит о том, что кислород-28 должен быть стабильным.

Общее число каждого из них зависит от того, как каждый добавленный нуклон влияет на стабильность протонных и нейтронных квот, называемых «оболочками».

Магическое число в ядерной физике — это число нуклонов, которые полностью заполняют оболочку, причём каждая новая оболочка отличается от предыдущей большим энергетическим зазором.

Атомное ядро с протонной и нейтронной оболочками, содержащими магические числа каждого из них, называется вдвойне магическим, и ожидается, что оно будет особенно стабильным.

Большая часть кислорода на Земле, в том числе и в воздухе, которым мы дышим, — это дважды магическая форма кислорода, кислород-16.

Долгое время ожидалось, что следующим после кислорода-16 изотопом кислорода станет дважды магический кислород-28, однако предыдущие попытки найти его не увенчались успехом.

Работа Кондо и его коллег может объяснить причину этого. Полученные ими результаты свидетельствуют о том, что оболочка нейтрона не была заполнена. Это ставит под сомнение, что число 20 магическое для нейтронов.

Интересно, что это соответствует явлению, известному как остров инверсии для изотопов неона, натрия и магния, где оболочки из 20 нейтронов не закрываются. Это также распространяется на фтор-29, а теперь, по-видимому, и на кислород-28.

Дальнейшее понимание странностей незакрытой нейтронной оболочки придётся ждать до тех пор, пока исследователи не смогут исследовать ядро в возбуждённом состоянии с более высокой энергией. Другие способы образования кислорода-28 также могут быть показательными, хотя это гораздо сложнее реализовать.

Пока же увлекательные и с большим трудом полученные результаты показывают, что дважды магические ядра могут быть устроены гораздо сложнее, чем мы предполагали.

Если эта публикация вас вдохновила и вы хотите поддержать автора — не стесняйтесь нажать на кнопку

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.

Биологическая роль кислорода

Аварийный запас кислорода в бомбоубежище

Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом. Широко используется кислород в медицине. При сердечно-сосудистых заболеваниях для улучшения обменных процессов в желудок вводили кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене и других серьёзных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном. Радиоактивный изотоп кислорода 15O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции.