От фотона до кварка

Светлина върху метал: решава цветът

Светлината се състои от фотони. Енергията на един фотон е E = h · ν, където ν е честотата, а h е константата на Планк. Колкото по-синя е светлината, толкова по-енергичен е всеки фотон.

Електрон излиза от метала само ако един фотон има повече енергия от отделителната работа A. Тогава h · ν = A + E, където E е най-голямата кинетична енергия на излезлия електрон: излишъкът над отделителната работа.

Яркостта е броят на фотоните. Двойно по-ярка светлина избива двойно повече електрони, но не по-бързи. А червената светлина под прага не избива нито един електрон, колкото и силна да е. Силният червен прожектор губи от слабото виолетово фенерче.

Стълбата на водорода

Електронът в атома може да е само на определени стъпала с определена енергия. Когато скочи надолу, атомът излъчва фотон с енергия, равна на разликата между двете стъпала. Атомът поглъща само фотон с точно такава енергия: фотон с друга енергия минава през него.

Затова водородът свети само в няколко цвята, а не в цялата дъга: всеки скок дава една линия. Линиите са „пръстов отпечатък“ на елемента. Скоковете към второто стъпало дават видимите линии, а към първото — невидимата ултравиолетова светлина.

Ядрото е по-леко от частиците си

Ядрото е изградено от протони и неутрони (нуклони). Когато частиците се съберат в ядро, масата им намалява: това е масовият дефект. Липсващата маса е освободена като енергия: ΔE = Δm · c². Тази енергия е енергията на връзката.

Най-важна е енергията на връзката на един нуклон. Тя е най-голяма около желязото и никела. Затова енергия се отделя и при делене на тежки ядра, и при синтез на леки: и двата процеса вървят към върха на кривата.

Радиоактивен разпад

Нестабилните ядра се разпадат. При алфа-разпад ядрото отделя ядро на хелий: протоните намаляват с 2, а нуклоните с 4. При бета-разпад един неутрон става протон: нуклоните са същите, а протоните са с един повече. При гама-разпад ядрото само отдава енергия.

Период на полуразпадане е времето, за което остава половината от атомите. Не се разпада „половината от всеки атом“: атомите изчезват цели. След два периода остава една четвърт, не нула. Периодът не зависи от броя на атомите; малката проба е само по-назъбена.

Радиоактивните изотопи се използват в медицината (йод-131 за щитовидната жлеза, технеций-99 за образна диагностика) и за датиране (въглерод-14).

Погълнатата доза се мери в грей (Gy) и е енергията, погълната от един килограм тъкан. Еквивалентната доза се мери в сиверт (Sv) и отчита вида лъчение: алфа-лъчите са по-вредни при една и съща погълната доза. Облъченият предмет не започва сам да излъчва.

Делене и синтез

При деленето ядро на уран-235 поглъща неутрон и се разделя на две по-леки ядра и два или три неутрона. Протоните и нуклоните винаги се запазват. Едно делене отделя около 200 MeV.

Неутроните водят до нови деления: верижна реакция. Ако всеки неутрон дава по-малко от един нов, реакцията затихва. Ако дава точно един, е постоянна: така работи реакторът, а управляващите пръти поглъщат неутрони. Ако дава повече от един, нарастването е неуправляемо.

Термоядреният синтез слива леки ядра (деутерий и тритий) в хелий. За управляем синтез са нужни много висока температура, задържане на плазмата далеч от стените и достатъчна плътност за достатъчно дълго време. Перспективите и трудностите са тема за дискусия.

Частици и сили

Елементарните частици са лептони (електрон, мюон, тау-лептон и техните неутрина) и кварки. Всяка частица има античастица със същата маса и обратен заряд.

Протонът и неутронът са бариони: три кварка. Мезонът е кварк и антикварк. Горният кварк има заряд +2/3, долният и странният — −1/3. Протонът uud има заряд +1.

Четирите взаимодействия от най-силното: силно, електромагнитно, слабо и гравитационно. Между два протона електричното отблъскване е около 10³⁶ пъти по-силно от гравитацията, затова в ядрото е нужна още по-силна сила.

Какво опростихме

Отделителната работа е едно число за метал. Водородът е модел със стъпала. Разпадът в кутията е на един изотоп. Верижната реакция е очакваната стойност без случайност. Кварките са три вида, без цвят и въртене.

Ултравиолетовата светлина вреди на очите и кожата. Тази симулация не изисква опити с радиоактивни вещества или високо напрежение.