Ce au neutronii? Particule elementare

• Traducere

În centrul fiecărui atom se află nucleul, o mică colecție de particule numite protoni și neutroni. În acest articol vom studia natura protonilor și neutronilor, care constau din particule și mai mici - quarci, gluoni și antiquarci. (Gluonii, ca și fotonii, sunt propriile lor antiparticule.) Quarcii și gluonii, din câte știm, pot fi cu adevărat elementari (indivizibili și nu constați din nimic mai mic ca dimensiune). Dar la ei mai târziu.

În mod surprinzător, protonii și neutronii au aproape aceeași masă - cu exactitate într-un procent:

• 0,93827 GeV/c 2 pentru proton,
• 0,93957 GeV/c 2 pentru un neutron.

Aceasta este cheia naturii lor - de fapt sunt foarte asemănătoare. Da, există o diferență evidentă între ele: un proton are o sarcină electrică pozitivă, în timp ce un neutron nu are sarcină (este neutru, de unde și numele). În consecință, forțele electrice acționează asupra primului, dar nu asupra celui de-al doilea. La prima vedere, această distincție pare foarte importantă! Dar de fapt nu este. În toate celelalte sensuri, protonul și neutronul sunt aproape gemeni. Nu numai masele lor sunt identice, ci și structura lor internă.

Pentru că sunt atât de asemănătoare și pentru că aceste particule alcătuiesc nucleele, protonii și neutronii sunt adesea numiți nucleoni.

Protonii au fost identificați și descriși în jurul anului 1920 (deși au fost descoperiți mai devreme; nucleul unui atom de hidrogen este doar un singur proton), iar neutronii au fost descoperiți în jurul anului 1933. S-a realizat aproape imediat că protonii și neutronii sunt atât de asemănători între ei. Dar faptul că au o dimensiune măsurabilă comparabilă cu dimensiunea unui nucleu (de aproximativ 100.000 de ori mai mică ca rază decât un atom) nu a fost cunoscut până în 1954. Că acestea constau din quarci, antiquarci și gluoni a fost înțeles treptat de la mijlocul anilor 1960 până la mijlocul anilor 1970. Până la sfârșitul anilor 70 și începutul anilor 80, înțelegerea noastră despre protoni, neutroni și din ce sunt alcătuiți s-a stabilit în mare măsură și a rămas neschimbată de atunci.

Nucleonii sunt mult mai greu de descris decât atomii sau nucleii. Ca să nu spun asta, dar cel puțin se poate spune fără să se gândească că atomul de heliu este format din doi electroni pe orbită în jurul unui nucleu minuscul de heliu; iar nucleul de heliu este un grup destul de simplu de doi neutroni și doi protoni. Dar cu nucleoni totul nu este atât de simplu. Am scris deja în articolul „” că un atom este ca un menuet elegant, iar un nucleon este ca o petrecere sălbatică.

Complexitatea protonului și neutronului pare a fi autentică și nu provine dintr-o cunoaștere incompletă a fizicii. Avem ecuații folosite pentru a descrie quarci, antiquarci și gluoni și interacțiunile nucleare puternice care au loc între ei. Aceste ecuații se numesc QCD, din cromodinamica cuantică. Precizia ecuațiilor poate fi testată într-o varietate de moduri, inclusiv măsurarea numărului de particule produse la Large Hadron Collider. Prin conectarea ecuațiilor QCD într-un computer și efectuând calcule privind proprietățile protonilor și neutronilor și ale altor particule similare (numite în mod colectiv „hadroni”), obținem predicții ale proprietăților acestor particule care aproximează îndeaproape observațiile făcute în lumea reală. Prin urmare, avem motive să credem că ecuațiile QCD nu mint și că cunoștințele noastre despre proton și neutron se bazează pe ecuațiile corecte. Dar doar a avea ecuațiile potrivite nu este suficient, deoarece:

• Ecuațiile simple pot avea soluții foarte complexe,
• Uneori este imposibil să descrii decizii complexe într-un mod simplu.

Din câte putem spune, acesta este exact cazul cu nucleonii: sunt soluții complexe la ecuații QCD relativ simple și nu este posibil să le descriem în câteva cuvinte sau imagini.

Din cauza complexității inerente a nucleonilor, tu, cititorul, va trebui să faci o alegere: cât de mult vrei să știi despre complexitatea descrisă? Indiferent cât de departe ai merge, cel mai probabil nu îți va aduce satisfacție: cu cât înveți mai mult, cu atât subiectul va deveni mai clar, dar răspunsul final va rămâne același - protonul și neutronul sunt foarte complexe. Vă pot oferi trei niveluri de înțelegere, cu detalii tot mai mari; te poți opri după orice nivel și trece la alte subiecte sau te poți scufunda până la ultimul. Fiecare nivel ridică întrebări la care pot răspunde parțial în următorul, dar răspunsurile noi ridică întrebări noi. Până la urmă - așa cum fac în discuțiile profesionale cu colegii și studenții avansați - nu vă pot referi decât la date obținute în experimente reale, la diverse argumente teoretice influente și simulări pe computer.

Primul nivel de înțelegere

Din ce sunt alcătuiți protonii și neutronii?

Orez. 1: o versiune prea simplificată a protonilor, constând din doar doi cuarci up și un cuarc down, și neutroni, constând din doar doi cuarci down și un cuarc up

Pentru a simplifica lucrurile, multe cărți, articole și site-uri web indică faptul că protonii constau din trei quarci (doi quarci sus și unul down) și desenează ceva de genul Fig. 1. Neutronul este același, constând doar dintr-un quark up și doi down. Această imagine simplă ilustrează ceea ce credeau unii oameni de știință, mai ales în anii 1960. Dar curând a devenit clar că acest punct de vedere a fost simplificat prea mult până la punctul în care nu mai era corect.

Din surse mai sofisticate de informații, veți afla că protonii sunt formați din trei quarci (doi în sus și unul în jos) ținuți împreună de gluoni - și poate apărea o imagine similară cu Fig. 2, unde gluonii sunt atrași ca arcuri sau șiruri care țin quarci. Neutronii sunt la fel, doar cu un cuarc up și doi cuarci down.

Orez. 2: ameliorare fig. 1 datorită accentului pus pe rolul important al forței nucleare puternice, care deține quarcii în proton

Acesta nu este o modalitate atât de proastă de a descrie nucleonii, deoarece subliniază rolul important al forței nucleare puternice, care reține quarcii într-un proton în detrimentul gluonilor (la fel cum fotonul, particula care formează lumina, este asociat cu forța electromagnetică). Dar acest lucru este, de asemenea, confuz, deoarece nu explică cu adevărat ce sunt gluonii sau ce fac ei.

Există motive pentru a merge mai departe și a descrie lucrurile așa cum am făcut eu în: un proton este format din trei quarci (doi în sus și unul în jos), o grămadă de gluoni și un munte de perechi quark-antiquark (mai ales quarci sus și jos, dar sunt si cateva ciudate) . Toate zboară înainte și înapoi cu viteze foarte mari (apropiindu-se de viteza luminii); acest întreg set este ținut împreună de forța nucleară puternică. Am demonstrat acest lucru în Fig. 3. Neutronii sunt din nou la fel, dar cu unul sus și doi cuarci down; Cuarcul care și-a schimbat identitatea este indicat de o săgeată.

Orez. 3: reprezentare mai realistă, deși încă imperfectă, a protonilor și neutronilor

Acești quarci, anti-quarci și gluoni nu numai că se repetă înainte și înapoi, dar se ciocnesc unul cu celălalt și se transformă unul în celălalt prin procese precum anihilarea particulelor (în care un quarc și un antiquarc de același tip se transformă în doi gluoni, sau invers) sau absorbția și emisia unui gluon (în care un cuarc și un gluon se pot ciocni și să producă un cuarc și doi gluoni, sau invers).

Ce au în comun aceste trei descrieri:

• Doi cuarci up și un cuarc down (plus altceva) pentru un proton.
• Neutronul are un cuarc up și doi cuarci down (plus altceva).
• „Altul” al neutronilor coincide cu „altceva” al protonilor. Adică, nucleonii au același „altceva”.
• Mica diferență de masă dintre proton și neutron apare datorită diferenței dintre masele cuarcului down și al cuarcului up.

Și, pentru că:

• pentru quarcii de top sarcina electrică este egală cu 2/3 e (unde e este sarcina unui proton, -e este sarcina unui electron),
• quarcii de fund au o sarcină de -1/3e,
• gluonii au o sarcină de 0,
• orice quarc și antiquarc-ul corespunzător au o sarcină totală de 0 (de exemplu, un quarc antidown are o sarcină de +1/3e, deci un quarc down și un quarc down vor avea o sarcină de –1/3 e +1/3 e = 0),

Fiecare cifră atribuie sarcina electrică a protonului la doi quarci up și unul down, cu „altceva” adăugând 0 la sarcină. La fel, un neutron are sarcină zero datorită unui quark up și doi down:

• sarcina electrică totală a protonului este 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• sarcina electrică totală a neutronului este 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

Aceste descrieri diferă în următoarele moduri:

• cât de mult „altceva” este în interiorul nucleonului,
• ce cauta acolo
• de unde provine masa și energia masei (E = mc 2, energia prezentă acolo chiar și atunci când particula este în repaus) a nucleonului.

Deoarece cea mai mare parte a masei unui atom și, prin urmare, a întregii materie obișnuită este conținută în protoni și neutroni, acest din urmă punct este extrem de important pentru o înțelegere corectă a naturii noastre.

Orez. 1 spune că quarcii sunt în esență o treime dintr-un nucleon - la fel ca un proton sau neutron este un sfert dintr-un nucleu de heliu sau 1/12 dintr-un nucleu de carbon. Dacă această imagine ar fi adevărată, quarkurile din nucleon s-ar mișca relativ lent (la viteze mult mai mici decât lumina) cu interacțiuni relativ slabe acționând între ei (deși cu o forță puternică care îi ține pe loc). Masa cuarcului, în sus și în jos, ar fi atunci de ordinul a 0,3 GeV/c 2 , aproximativ o treime din masa protonului. Dar această imagine simplă și ideile pe care le impune sunt pur și simplu greșite.

Orez. 3. oferă o idee complet diferită despre proton, ca un cazan de particule care se zboară în el la viteze apropiate de lumina. Aceste particule se ciocnesc unele de altele, iar în aceste ciocniri, unele dintre ele sunt anihilate, iar altele sunt create în locul lor. Gluonii nu au masă, masele quarcilor superiori sunt de ordinul a 0,004 GeV/c 2 , iar masele quarcilor inferiori sunt de ordinul a 0,008 GeV/c 2 - de sute de ori mai puțin decât un proton. De unde provine energia masei protonilor este o întrebare complexă: o parte din ea provine din energia masei quarcilor și antiquarcilor, o parte din energia de mișcare a quarcilor, antiquarcilor și gluonilor și o parte (posibil pozitivă, poate negativă). ) din energia stocată în interacțiunea nucleară puternică, ținând împreună quarcii, antiquarcii și gluonii.

Într-un fel, Fig. 2 încercări de a rezolva diferența dintre Fig. 1 și fig. 3. Simplifică figura. 3, eliminând multe perechi quark-antiquark, care, în principiu, pot fi numite efemere, deoarece apar și dispar în mod constant și nu sunt necesare. Dar dă impresia că gluonii din nucleoni sunt o parte directă a forței nucleare puternice care ține protonii împreună. Și nu explică de unde provine masa protonului.

În fig. 1 există un alt dezavantaj, pe lângă cadrele înguste ale protonului și neutronului. Nu explică unele proprietăți ale altor hadroni, de exemplu, pion și rho meson. Fig. are aceleasi probleme. 2.

Aceste restricții au dus la faptul că le ofer studenților mei și pe site-ul meu poza din Fig. 3. Dar vreau să vă avertizez că are și multe limitări, despre care voi discuta mai târziu.

Este de remarcat faptul că complexitatea extremă a structurii implicată de Fig. 3 ar fi de așteptat de la un obiect ținut împreună de o forță la fel de puternică precum forța nucleară puternică. Și încă ceva: trei quarci (doi în sus și unul în jos pentru un proton) care nu fac parte dintr-un grup de perechi quarc-antiquarc sunt adesea numiți „cuarcuri de valență”, iar perechile quarc-antiquarc sunt numite „mare de perechi de quarci”. Un astfel de limbaj este convenabil din punct de vedere tehnic în multe cazuri. Dar dă impresia falsă că, dacă ai putea privi în interiorul unui proton și ai privi un anumit quarc, ai putea spune imediat dacă a fost parte a mării sau unul de valență. Acest lucru nu se poate face, pur și simplu nu există o astfel de modalitate.

Masa protonilor si masa neutronilor

Deoarece masele protonului și neutronului sunt atât de asemănătoare și deoarece protonul și neutronul diferă doar prin înlocuirea cuarcului up cu cuarcul down, se pare că masele lor sunt furnizate în același mod, provin din aceeași sursă. , iar diferența lor constă în diferența ușoară dintre quarcii sus și jos. Dar cele trei figuri de mai sus indică prezența a trei vederi foarte diferite asupra originii masei protonilor.

Orez. 1 spune că quarcii sus și jos reprezintă pur și simplu 1/3 din masa protonului și neutronului: de ordinul a 0,313 GeV/c 2, sau din cauza energiei necesare pentru a menține quarcii în proton. Și întrucât diferența dintre masele unui proton și ale unui neutron este o fracțiune de procent, diferența dintre masele unui cuarc sus și jos trebuie să fie și o fracțiune de procent.

Orez. 2 este mai puțin clar. Cât de mult din masa unui proton se datorează gluonilor? Dar, în principiu, din figură rezultă că cea mai mare parte a masei protonilor provine încă din masa quarcilor, ca în Fig. 1.

Orez. 3 reflectă o abordare mai nuanțată a modului în care apare masa protonului (cum putem testa direct prin calculele computerizate ale protonului și indirect folosind alte metode matematice). Este foarte diferit de ideile prezentate în fig. 1 și 2 și se pare că nu este atât de simplu.

Pentru a înțelege cum funcționează acest lucru, trebuie să vă gândiți nu în termenii masei m a protonului, ci în termenii energiei sale de masă E = mc 2 , energia asociată cu masa. Din punct de vedere conceptual, întrebarea corectă nu este „de unde vine masa protonului m”, după care puteți calcula E prin înmulțirea m cu c 2 , ci invers: „de unde vine energia masei protonului E, ” după care se poate calcula masa m împărțind E la c 2 .

Este util să se clasifice contribuțiile la energia masei protonilor în trei grupe:

A) Energia de masă (energia de repaus) a quarcilor și antiquarcilor conținute în acesta (gluoni, particule fără masă, nu aduc nicio contribuție).
B) Energia de mișcare (energia cinetică) a quarcilor, antiquarcilor și gluonilor.
C) Energia de interacțiune (energie de legare sau energie potențială) stocată în interacțiunea nucleară puternică (mai precis, în câmpurile de gluoni) care ține protonul.

Orez. 3 spune că particulele din interiorul protonului se mișcă cu viteză mare și că acesta este plin de gluoni fără masă, deci contribuția lui B) este mai mare decât A). De obicei, în majoritatea sistemelor fizice B) și C) se dovedesc a fi comparabile, în timp ce C) este adesea negativ. Deci, energia de masă a protonului (și neutronului) provine în principal din combinația dintre B) și C), cu A) contribuind cu o mică fracție. Prin urmare, masele protonului și neutronului apar în principal nu din cauza maselor particulelor pe care le conțin, ci din cauza energiilor de mișcare ale acestor particule și a energiei interacțiunii lor asociată cu câmpurile gluonilor care generează forțele care țin proton. În majoritatea celorlalte sisteme cunoscute nouă, bilanţul energetic este distribuit diferit. De exemplu, în atomi și în sistemul solar A) domină, iar B) și C) sunt mult mai mici și comparabile ca mărime.

Pentru a rezuma, menționăm că:

• Orez. 1 presupune că energia masei protonilor provine din contribuția A).
• Orez. 2 presupune că ambele contribuții A) și B) sunt importante, B) având o contribuție mică.
• Orez. 3 sugerează că B) și C) sunt importante, iar contribuția lui A) se dovedește a fi nesemnificativă.

Știm că Fig. este corectă. 3. Putem rula simulări pe computer pentru a-l testa și, mai important, datorită diverselor argumente teoretice convingătoare, știm că dacă masele cuarcilor sus și jos ar fi zero (și orice altceva ar rămâne așa cum este), masa protonului ar fi practic zero s-ar fi schimbat. Deci, aparent, masele de quarci nu pot aduce contribuții importante la masa protonilor.

Dacă fig. 3 nu minte, masele quarcului și antiquarcului sunt foarte mici. Cum sunt de fapt? Masa cuarcului de top (precum și a antiquarcului) nu depășește 0,005 GeV/c 2, ceea ce este mult mai mic decât 0,313 GeV/c 2, ceea ce rezultă din Fig. 1. (Masa cuarcului up este greu de măsurat și variază din cauza efectelor subtile, deci poate fi mult mai mică de 0,005 GeV/c2). Masa cuarcului inferior este cu aproximativ 0,004 GeV/s 2 mai mare decât masa cuarcului superior. Aceasta înseamnă că masa oricărui cuarc sau antiquarc nu depășește un procent din masa unui proton.

Rețineți că aceasta înseamnă (contrar cu Fig. 1) că raportul dintre cuarcul down și masa cuarcului sus nu se apropie de unitate! Masa cuarcului down este de cel puțin două ori masa cuarcului up. Motivul pentru care masele neutronului și protonului sunt atât de asemănătoare nu este pentru că masele cuarcilor sus și jos sunt similare, ci pentru că masele cuarcilor sus și jos sunt foarte mici - iar diferența dintre ele este mică, relativă. la masele protonului și neutronului. Amintiți-vă că, pentru a transforma un proton într-un neutron, trebuie pur și simplu să înlocuiți unul dintre cuarcii lui up cu un cuarc down (Figura 3). Această înlocuire este suficientă pentru a face neutronul puțin mai greu decât protonul și pentru a-și schimba sarcina de la +e la 0.

Apropo, faptul că diferitele particule din interiorul protonului se ciocnesc între ele și apar și dispar în mod constant, nu afectează lucrurile despre care discutăm - energia este conservată în orice coliziune. Energia de masă și energia de mișcare a quarcilor și gluonilor se pot modifica, la fel ca și energia interacțiunii lor, dar energia totală a protonului nu se modifică, deși totul în interiorul acestuia se schimbă constant. Deci masa protonului rămâne constantă, în ciuda vortexului său intern.

În acest moment vă puteți opri și absorbi informațiile primite. Uimitor! Practic toată masa conținută în materia obișnuită provine din masa nucleonilor din atomi. Și cea mai mare parte din această masă provine din haosul inerent protonului și neutronului - din energia de mișcare a quarcilor, gluonilor și antiquarcilor din nucleoni și din energia interacțiunilor nucleare puternice care țin nucleonul în întreaga sa stare. Da: planeta noastră, corpurile noastre, respirația noastră sunt rezultatul unui asemenea pandemoniu liniștit și, până de curând, inimaginabil.

Un proton este o particulă stabilă din clasa hadronilor, nucleul unui atom de hidrogen.

Este greu de spus ce eveniment ar trebui considerat descoperirea protonului: la urma urmei, ca ion de hidrogen, este cunoscut de mult timp. Crearea unui model planetar al atomului de către E. Rutherford (1911), descoperirea izotopilor (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) și observarea nucleelor ​​de hidrogen scoase din nuclee de către particulele alfa au jucat un rol în descoperirea azotului proton (E. Rutherford, 1919). În 1925, P. Blackett a primit primele fotografii cu urme de protoni într-o cameră cu nori (vezi Detectoare de radiații nucleare), confirmând descoperirea transformării artificiale a elementelor. În aceste experimente, particula β a fost capturată de un nucleu de azot, care a emis un proton și s-a transformat într-un izotop de oxigen.

Împreună cu neutronii, protonii formează nucleele atomice ale tuturor elementelor chimice, iar numărul de protoni din nucleu determină numărul atomic al unui element dat. Un proton are o sarcină electrică pozitivă egală cu sarcina elementară, adică valoarea absolută a sarcinii electronului. Acesta a fost testat experimental cu o precizie de 10-21. Masa protonului mp = (938,2796 ± 0,0027) MeV sau ~ 1,6-10-24 g, adică un proton este de 1836 de ori mai greu decât un electron! Din punct de vedere modern, protonul nu este o particulă cu adevărat elementară: este format din doi cuarci u cu sarcini electrice +2/3 (în unități de sarcină elementară) și un cuarc d cu sarcină electrică -1/3. Quarcii sunt interconectați prin schimbul de alte particule ipotetice - gluoni, cuante ale câmpului care poartă interacțiuni puternice. Datele din experimente în care procesele de împrăștiere a electronilor pe protoni au fost luate în considerare într-adevăr indică prezența centrelor de împrăștiere punctuale în interiorul protonilor. Aceste experimente sunt într-un anumit sens foarte asemănătoare cu experimentele lui Rutherford care au dus la descoperirea nucleului atomic. Fiind o particulă compozită, protonul are o dimensiune finită de ~ 10-13 cm, deși, desigur, nu poate fi reprezentat ca o bilă solidă. Mai degrabă, protonul seamănă cu un nor cu o limită neclară, constând din particule virtuale create și anihilate.Protonul, ca toți hadronii, participă la fiecare dintre interacțiunile fundamentale. Asa de. interacțiunile puternice leagă protonii și neutronii în nuclee, interacțiunile electromagnetice leagă protonii și electronii în atomi. Exemple de interacțiuni slabe sunt dezintegrarea beta a unui neutron sau transformarea intranucleară a unui proton într-un neutron cu emisia unui pozitron și neutrin (pentru un proton liber un astfel de proces este imposibil datorită legii conservării și transformării energiei, întrucât neutronul are o masă ceva mai mare). Spinul protonului este 1/2. Hadronii cu spin pe jumătate întreg se numesc barioni (din cuvântul grecesc care înseamnă „greu”). Barionii includ protonii, neutronii, diverși hiperoni (?, ?, ?, ?) și o serie de particule cu numere cuantice noi, dintre care majoritatea nu au fost încă descoperite. Pentru a caracteriza barionii, a fost introdus un număr special - sarcina barionică, egală cu 1 pentru barioni, - 1 - pentru antibarioni și O - pentru toate celelalte particule. Sarcina barionică nu este o sursă a câmpului barionic; a fost introdusă doar pentru a descrie modelele observate în reacțiile cu particule. Aceste modele sunt exprimate sub forma legii conservării sarcinii barionului: diferența dintre numărul de barioni și antibarioni din sistem se păstrează în orice reacție. Conservarea sarcinii barionului face imposibilă descompunerea protonului, deoarece este cel mai ușor dintre barioni. Această lege este de natură empirică și, desigur, trebuie testată experimental. Precizia legii conservării sarcinii barionului este caracterizată de stabilitatea protonului, estimarea experimentală a cărei durată de viață dă o valoare de nu mai puțin de 1032 de ani.

În același timp, teoriile care combină toate tipurile de interacțiuni fundamentale prezic procese care conduc la întreruperea sarcinii barionului și la dezintegrarea protonului. Durata de viață a unui proton în astfel de teorii nu este indicată foarte precis: aproximativ 1032 ± 2 ani. Acest timp este enorm, este de multe ori mai lung decât existența Universului (~ 2*1010 ani). Prin urmare, protonul este practic stabil, ceea ce a făcut posibilă formarea elementelor chimice și în cele din urmă apariția vieții inteligente. Cu toate acestea, căutarea dezintegrarii protonilor este acum una dintre cele mai importante probleme din fizica experimentală. Cu o durată de viață a protonilor de ~ 1032 ani într-un volum de apă de 100 m3 (1 m3 conține ~ 1030 protoni), ar trebui de așteptat o descompunere a protonului pe an. Tot ce rămâne este să înregistrăm această decădere. Descoperirea dezintegrarii protonilor va fi un pas important spre o intelegere corecta a unitatii fortelor naturii.

Neutronul este o particulă neutră aparținând clasei hadronilor. Descoperit în 1932 de către fizicianul englez J. Chadwick. Împreună cu protonii, neutronii fac parte din nucleele atomice. Sarcina electrică a unui neutron qn este zero. Acest lucru este confirmat de măsurători directe ale sarcinii de la deviația unui fascicul de neutroni în câmpuri electrice puternice, care au arătat că |qn|<10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.

Neutronii sunt stabili doar în nucleele atomice stabile. Un neutron liber este o particulă instabilă care se descompune într-un proton (p), electron (e-) și electron antineutrin. Durata de viață a neutronilor este (917-14) s, adică aproximativ 15 minute. În materie, neutronii există în formă liberă și mai puțin datorită absorbției lor puternice de către nuclee. Prin urmare, ele apar în natură sau sunt produse în laborator doar ca urmare a reacțiilor nucleare.

Pe baza bilanţului energetic al diferitelor reacţii nucleare s-a determinat diferenţa dintre masele neutronului şi protonului: mn-mp(1,29344 ±0,00007) MeV. Comparând-o cu masa protonilor, obținem masa neutronilor: mn = 939,5731 ± 0,0027 MeV; aceasta corespunde mn ~ 1,6-10-24.Neutronul participă la toate tipurile de interacțiuni fundamentale. Interacțiunile puternice leagă neutronii și protonii în nucleele atomice. Un exemplu de interacțiune slabă este dezintegrarea beta a unui neutron.

Participa această particulă neutră la interacțiuni electromagnetice? Neutronul are o structură internă, iar cu neutralitate generală, există în el curenți electrici, ducând, în special, la apariția unui moment magnetic în neutron. Cu alte cuvinte, într-un câmp magnetic, un neutron se comportă ca un ac de busolă. Acesta este doar un exemplu al interacțiunii sale electromagnetice. Căutarea momentului dipol electric al neutronului, pentru care s-a obţinut o limită superioară, a căpătat un mare interes. Aici, cele mai eficiente experimente au fost efectuate de oamenii de știință de la Institutul de Fizică Nucleară Leningrad al Academiei de Științe a URSS; Căutarea momentului dipol al neutronilor este importantă pentru înțelegerea mecanismelor de încălcare a invarianței în timpul inversării timpului în microprocese.

Interacțiunile gravitaționale ale neutronilor au fost observate direct din incidența lor în câmpul gravitațional al Pământului.

O clasificare convențională a neutronilor în funcție de energia lor cinetică este acum acceptată:

neutroni lenți (<105эВ, есть много их разновидностей),

neutroni rapizi (105?108eV), de mare energie (> 108eV).

Neutronii foarte lenți (10-7 eV), care se numesc neutroni ultrareci, au proprietăți foarte interesante. S-a dovedit că neutronii ultrareci pot fi acumulați în „capcane magnetice” și spinările lor pot fi chiar orientate într-o anumită direcție acolo. Folosind câmpuri magnetice cu o configurație specială, neutronii ultrareci sunt izolați de pereții absorbanți și pot „trăi” în capcană până când se descompun. Acest lucru permite numeroase experimente subtile pentru a studia proprietățile neutronilor. O altă metodă de stocare a neutronilor ultrareci se bazează pe proprietățile undelor acestora. Astfel de neutroni pot fi pur și simplu stocați într-un „borcan” închis. Această idee a fost exprimată de către fizicianul sovietic Ya. B. Zeldovich la sfârșitul anilor 1950, iar primele rezultate au fost obținute la Dubna, la Institutul de Cercetări Nucleare, aproape un deceniu mai târziu.

Recent, oamenii de știință au reușit să construiască un vas în care trăiesc neutronii ultrareci până la degradarea lor naturală.

Neutronii liberi sunt capabili să interacționeze activ cu nucleele atomice, provocând reacții nucleare. Ca urmare a interacțiunii neutronilor lenți cu materia, se pot observa efecte de rezonanță, împrăștiere prin difracție în cristale etc. Datorită acestor proprietăți, neutronii sunt utilizați pe scară largă în fizica nucleară și în fizica stării solide. Ele joacă un rol important în energia nucleară, în producția de elemente transuraniu și izotopi radioactivi și găsesc aplicații practice în analiza chimică și explorarea geologică.

După cum sa menționat deja, un atom este format din trei tipuri de particule elementare: protoni, neutroni și electroni. Nucleul atomic este partea centrală a unui atom, constând din protoni și neutroni. Protonii și neutronii au denumirea comună de nucleon; se pot transforma unul în altul în nucleu. Nucleul celui mai simplu atom - atomul de hidrogen - este format dintr-o particulă elementară - protonul.

Diametrul nucleului unui atom este de aproximativ 10-13 - 10-12 cm și este de 0,0001 din diametrul atomului. Cu toate acestea, aproape întreaga masă a atomului (99,95-99,98%) este concentrată în nucleu. Dacă ar fi posibil să se obțină 1 cm3 de materie nucleară pură, masa acesteia ar fi de 100-200 de milioane de tone. Masa nucleului unui atom este de câteva mii de ori mai mare decât masa tuturor electronilor care formează atomul.

Proton- o particulă elementară, nucleul unui atom de hidrogen. Masa unui proton este de 1,6721 x 10-27 kg, care este de 1836 de ori masa unui electron. Sarcina electrică este pozitivă și egală cu 1,66 x 10-19 C. Un coulomb este o unitate de sarcină electrică egală cu cantitatea de electricitate care trece prin secțiunea transversală a unui conductor într-un timp de 1 s la un curent constant de 1 A (amperi).

Fiecare atom al oricărui element conține un anumit număr de protoni în nucleu. Acest număr este constant pentru un element dat și determină proprietățile fizice și chimice ale acestuia. Adică numărul de protoni determină cu ce element chimic avem de-a face. De exemplu, dacă există un proton în nucleu, acesta este hidrogen, dacă există 26 de protoni, este fier. Numărul de protoni din nucleul atomic determină sarcina nucleului (numărul de sarcină Z) și numărul atomic al elementului din tabelul periodic al elementelor D.I. Mendeleev (numărul atomic al elementului).

Neutroni- o particulă neutră din punct de vedere electric cu o masă de 1,6749 x 10-27 kg, de 1839 de ori masa unui electron. Un neuron în stare liberă este o particulă instabilă; se transformă independent într-un proton cu emisia unui electron și a unui antineutrin. Timpul de înjumătățire al neutronilor (timpul în care jumătate din numărul inițial de neutroni se descompun) este de aproximativ 12 minute. Cu toate acestea, într-o stare legată în interiorul nucleelor ​​atomice stabile, este stabil. Numărul total de nucleoni (protoni și neutroni) din nucleu se numește număr de masă (masă atomică - A). Numărul de neutroni incluși în nucleu este egal cu diferența dintre numerele de masă și de sarcină: N = A - Z.

Electron- o particulă elementară, purtătorul celei mai mici mase - 0,91095x10-27 g și cea mai mică sarcină electrică - 1,6021x10-19 C. Aceasta este o particulă încărcată negativ. Numărul de electroni dintr-un atom este egal cu numărul de protoni din nucleu, adică. atomul este neutru din punct de vedere electric.

Pozitron- o particulă elementară cu sarcină electrică pozitivă, o antiparticulă în raport cu electronul. Masa electronului și a pozitronului sunt egale, iar sarcinile electrice sunt egale în valoare absolută, dar în semn opus.

Diferitele tipuri de nuclee se numesc nuclizi. Nuclidul este un tip de atom cu un număr dat de protoni și neutroni. În natură, există atomi ai aceluiași element cu mase atomice diferite (numerele de masă):
, Cl etc. Nucleele acestor atomi conțin același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni. Sunt numite varietăți de atomi ai aceluiași element care au aceeași sarcină nucleară, dar numere de masă diferite izotopi . Având același număr de protoni, dar diferiți prin numărul de neutroni, izotopii au aceeași structură a învelișurilor de electroni, adică. proprietăți chimice foarte asemănătoare și ocupă același loc în tabelul periodic al elementelor chimice.

Ele sunt desemnate prin simbolul elementului chimic corespunzător cu indicele A situat în stânga sus - numărul de masă, uneori numărul de protoni (Z) este de asemenea dat în stânga jos. De exemplu, izotopii radioactivi ai fosforului sunt denumiți 32P, 33P sau P și respectiv P. Când desemnați un izotop fără a indica simbolul elementului, numărul de masă este dat după desemnarea elementului, de exemplu, fosfor - 32, fosfor - 33.

Majoritatea elementelor chimice au mai mulți izotopi. Pe lângă izotopul hidrogenului 1H-protiu, sunt cunoscute hidrogenul greu 2H-deuteriu și hidrogenul supergreu 3H-tritiu. Uraniul are 11 izotopi; în compușii naturali există trei (uraniu 238, uraniu 235, uraniu 233). Au 92 de protoni și, respectiv, 146,143 și, respectiv, 141 de neutroni.

În prezent, sunt cunoscuți peste 1900 de izotopi ai 108 elemente chimice. Dintre aceștia, izotopii naturali includ toți cei stabili (aproximativ 280 dintre ei) și izotopii naturali care fac parte din familiile radioactive (46 dintre ei). Restul sunt clasificate drept artificiale; ele sunt obținute artificial ca urmare a diferitelor reacții nucleare.

Termenul „izotopi” ar trebui folosit numai atunci când vorbim despre atomi ai aceluiași element, de exemplu, carbonul 12C și 14C. Dacă se referă la atomi de diferite elemente chimice, se recomandă utilizarea termenului „nuclizi”, de exemplu, radionuclizi 90Sr, 131J, 137Cs.

• Traducere

În centrul fiecărui atom se află nucleul, o mică colecție de particule numite protoni și neutroni. În acest articol vom studia natura protonilor și neutronilor, care constau din particule și mai mici - quarci, gluoni și antiquarci. (Gluonii, ca și fotonii, sunt propriile lor antiparticule.) Quarcii și gluonii, din câte știm, pot fi cu adevărat elementari (indivizibili și nu constați din nimic mai mic ca dimensiune). Dar la ei mai târziu.

În mod surprinzător, protonii și neutronii au aproape aceeași masă - cu exactitate într-un procent:

• 0,93827 GeV/c 2 pentru proton,
• 0,93957 GeV/c 2 pentru un neutron.

Aceasta este cheia naturii lor - de fapt sunt foarte asemănătoare. Da, există o diferență evidentă între ele: un proton are o sarcină electrică pozitivă, în timp ce un neutron nu are sarcină (este neutru, de unde și numele). În consecință, forțele electrice acționează asupra primului, dar nu asupra celui de-al doilea. La prima vedere, această distincție pare foarte importantă! Dar de fapt nu este. În toate celelalte sensuri, protonul și neutronul sunt aproape gemeni. Nu numai masele lor sunt identice, ci și structura lor internă.

Pentru că sunt atât de asemănătoare și pentru că aceste particule alcătuiesc nucleele, protonii și neutronii sunt adesea numiți nucleoni.

Protonii au fost identificați și descriși în jurul anului 1920 (deși au fost descoperiți mai devreme; nucleul unui atom de hidrogen este doar un singur proton), iar neutronii au fost descoperiți în jurul anului 1933. S-a realizat aproape imediat că protonii și neutronii sunt atât de asemănători între ei. Dar faptul că au o dimensiune măsurabilă comparabilă cu dimensiunea unui nucleu (de aproximativ 100.000 de ori mai mică ca rază decât un atom) nu a fost cunoscut până în 1954. Că acestea constau din quarci, antiquarci și gluoni a fost înțeles treptat de la mijlocul anilor 1960 până la mijlocul anilor 1970. Până la sfârșitul anilor 70 și începutul anilor 80, înțelegerea noastră despre protoni, neutroni și din ce sunt alcătuiți s-a stabilit în mare măsură și a rămas neschimbată de atunci.

Nucleonii sunt mult mai greu de descris decât atomii sau nucleii. Ca să nu spun că atomii sunt în principiu simpli, dar cel puțin se poate spune fără să se gândească că un atom de heliu este format din doi electroni pe orbită în jurul unui nucleu minuscul de heliu; iar nucleul de heliu este un grup destul de simplu de doi neutroni și doi protoni. Dar cu nucleoni totul nu este atât de simplu. Am scris deja în articolul „Ce este un proton și ce este în el?” că un atom este ca un menuet elegant, iar un nucleon este ca o petrecere sălbatică.

Complexitatea protonului și neutronului pare a fi autentică și nu provine dintr-o cunoaștere incompletă a fizicii. Avem ecuații folosite pentru a descrie quarci, antiquarci și gluoni și interacțiunile nucleare puternice care au loc între ei. Aceste ecuații se numesc QCD, din cromodinamica cuantică. Precizia ecuațiilor poate fi testată într-o varietate de moduri, inclusiv măsurarea numărului de particule produse la Large Hadron Collider. Prin conectarea ecuațiilor QCD într-un computer și efectuând calcule privind proprietățile protonilor și neutronilor și ale altor particule similare (numite în mod colectiv „hadroni”), obținem predicții ale proprietăților acestor particule care aproximează îndeaproape observațiile făcute în lumea reală. Prin urmare, avem motive să credem că ecuațiile QCD nu mint și că cunoștințele noastre despre proton și neutron se bazează pe ecuațiile corecte. Dar doar a avea ecuațiile potrivite nu este suficient, deoarece:

• Ecuațiile simple pot avea soluții foarte complexe,
• Uneori este imposibil să descrii decizii complexe într-un mod simplu.

Din câte putem spune, acesta este exact cazul cu nucleonii: sunt soluții complexe la ecuații QCD relativ simple și nu este posibil să le descriem în câteva cuvinte sau imagini.

Din cauza complexității inerente a nucleonilor, tu, cititorul, va trebui să faci o alegere: cât de mult vrei să știi despre complexitatea descrisă? Indiferent cât de departe ai merge, cel mai probabil nu îți va aduce satisfacție: cu cât înveți mai mult, cu atât subiectul va deveni mai clar, dar răspunsul final va rămâne același - protonul și neutronul sunt foarte complexe. Vă pot oferi trei niveluri de înțelegere, cu detalii tot mai mari; te poți opri după orice nivel și trece la alte subiecte sau te poți scufunda până la ultimul. Fiecare nivel ridică întrebări la care pot răspunde parțial în următorul, dar răspunsurile noi ridică întrebări noi. Până la urmă - așa cum fac în discuțiile profesionale cu colegii și studenții avansați - nu vă pot referi decât la date obținute în experimente reale, la diverse argumente teoretice influente și simulări pe computer.

Primul nivel de înțelegere

Din ce sunt alcătuiți protonii și neutronii?

Orez. 1: o versiune prea simplificată a protonilor, constând din doar doi cuarci up și un cuarc down, și neutroni, constând din doar doi cuarci down și un cuarc up

Pentru a simplifica lucrurile, multe cărți, articole și site-uri web indică faptul că protonii constau din trei quarci (doi quarci sus și unul down) și desenează ceva de genul Fig. 1. Neutronul este același, constând doar dintr-un quark up și doi down. Această imagine simplă ilustrează ceea ce credeau unii oameni de știință, mai ales în anii 1960. Dar curând a devenit clar că acest punct de vedere a fost simplificat prea mult până la punctul în care nu mai era corect.

Din surse mai sofisticate de informații, veți afla că protonii sunt formați din trei quarci (doi în sus și unul în jos) ținuți împreună de gluoni - și poate apărea o imagine similară cu Fig. 2, unde gluonii sunt atrași ca arcuri sau șiruri care țin quarci. Neutronii sunt la fel, doar cu un cuarc up și doi cuarci down.

Orez. 2: ameliorare fig. 1 datorită accentului pus pe rolul important al forței nucleare puternice, care deține quarcii în proton

Acesta nu este o modalitate atât de proastă de a descrie nucleonii, deoarece subliniază rolul important al forței nucleare puternice, care reține quarcii într-un proton în detrimentul gluonilor (la fel cum fotonul, particula care formează lumina, este asociat cu forța electromagnetică). Dar acest lucru este, de asemenea, confuz, deoarece nu explică cu adevărat ce sunt gluonii sau ce fac ei.

Există motive pentru a merge mai departe și a descrie lucrurile așa cum am făcut eu în: un proton este format din trei quarci (doi în sus și unul în jos), o grămadă de gluoni și un munte de perechi quark-antiquark (mai ales quarci sus și jos, dar sunt si cateva ciudate) . Toate zboară înainte și înapoi cu viteze foarte mari (apropiindu-se de viteza luminii); acest întreg set este ținut împreună de forța nucleară puternică. Am demonstrat acest lucru în Fig. 3. Neutronii sunt din nou la fel, dar cu unul sus și doi cuarci down; Cuarcul care și-a schimbat identitatea este indicat de o săgeată.

Orez. 3: reprezentare mai realistă, deși încă imperfectă, a protonilor și neutronilor

Acești quarci, anti-quarci și gluoni nu numai că se repetă înainte și înapoi, dar se ciocnesc unul cu celălalt și se transformă unul în celălalt prin procese precum anihilarea particulelor (în care un quarc și un antiquarc de același tip se transformă în doi gluoni, sau invers) sau absorbția și emisia unui gluon (în care un cuarc și un gluon se pot ciocni și să producă un cuarc și doi gluoni, sau invers).

Ce au în comun aceste trei descrieri:

• Doi cuarci up și un cuarc down (plus altceva) pentru un proton.
• Neutronul are un cuarc up și doi cuarci down (plus altceva).
• „Altul” al neutronilor coincide cu „altceva” al protonilor. Adică, nucleonii au același „altceva”.
• Mica diferență de masă dintre proton și neutron apare datorită diferenței dintre masele cuarcului down și al cuarcului up.

Și, pentru că:

• pentru quarcii de top sarcina electrică este egală cu 2/3 e (unde e este sarcina unui proton, -e este sarcina unui electron),
• quarcii de fund au o sarcină de -1/3e,
• gluonii au o sarcină de 0,
• orice quarc și antiquarc-ul corespunzător au o sarcină totală de 0 (de exemplu, un quarc antidown are o sarcină de +1/3e, deci un quarc down și un quarc down vor avea o sarcină de –1/3 e +1/3 e = 0),

Fiecare cifră atribuie sarcina electrică a protonului la doi quarci up și unul down, cu „altceva” adăugând 0 la sarcină. La fel, un neutron are sarcină zero datorită unui quark up și doi down:

• sarcina electrică totală a protonului este 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• sarcina electrică totală a neutronului este 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

Aceste descrieri diferă în următoarele moduri:

• cât de mult „altceva” este în interiorul nucleonului,
• ce cauta acolo
• de unde provine masa și energia masei (E = mc 2, energia prezentă acolo chiar și atunci când particula este în repaus) a nucleonului.

Deoarece cea mai mare parte a masei unui atom și, prin urmare, a întregii materie obișnuită este conținută în protoni și neutroni, acest din urmă punct este extrem de important pentru o înțelegere corectă a naturii noastre.

Orez. 1 spune că quarcii sunt în esență o treime dintr-un nucleon - la fel ca un proton sau neutron este un sfert dintr-un nucleu de heliu sau 1/12 dintr-un nucleu de carbon. Dacă această imagine ar fi adevărată, quarkurile din nucleon s-ar mișca relativ lent (la viteze mult mai mici decât lumina) cu interacțiuni relativ slabe acționând între ei (deși cu o forță puternică care îi ține pe loc). Masa cuarcului, în sus și în jos, ar fi atunci de ordinul a 0,3 GeV/c 2 , aproximativ o treime din masa protonului. Dar această imagine simplă și ideile pe care le impune sunt pur și simplu greșite.

Orez. 3. oferă o idee complet diferită despre proton, ca un cazan de particule care se zboară în el la viteze apropiate de lumina. Aceste particule se ciocnesc unele de altele, iar în aceste ciocniri, unele dintre ele sunt anihilate, iar altele sunt create în locul lor. Gluonii nu au masă, masele quarcilor superiori sunt de ordinul a 0,004 GeV/c 2 , iar masele quarcilor inferiori sunt de ordinul a 0,008 GeV/c 2 - de sute de ori mai puțin decât un proton. De unde provine energia masei protonilor este o întrebare complexă: o parte din ea provine din energia masei quarcilor și antiquarcilor, o parte din energia de mișcare a quarcilor, antiquarcilor și gluonilor și o parte (posibil pozitivă, poate negativă). ) din energia stocată în interacțiunea nucleară puternică, ținând împreună quarcii, antiquarcii și gluonii.

Într-un fel, Fig. 2 încercări de a rezolva diferența dintre Fig. 1 și fig. 3. Simplifică figura. 3, eliminând multe perechi quark-antiquark, care, în principiu, pot fi numite efemere, deoarece apar și dispar în mod constant și nu sunt necesare. Dar dă impresia că gluonii din nucleoni sunt o parte directă a forței nucleare puternice care ține protonii împreună. Și nu explică de unde provine masa protonului.

În fig. 1 există un alt dezavantaj, pe lângă cadrele înguste ale protonului și neutronului. Nu explică unele proprietăți ale altor hadroni, de exemplu, pion și rho meson. Fig. are aceleasi probleme. 2.

Aceste restricții au dus la faptul că le ofer studenților mei și pe site-ul meu poza din Fig. 3. Dar vreau să vă avertizez că are și multe limitări, despre care voi discuta mai târziu.

Este de remarcat faptul că complexitatea extremă a structurii implicată de Fig. 3 ar fi de așteptat de la un obiect ținut împreună de o forță la fel de puternică precum forța nucleară puternică. Și încă ceva: trei quarci (doi în sus și unul în jos pentru un proton) care nu fac parte dintr-un grup de perechi quarc-antiquarc sunt adesea numiți „cuarcuri de valență”, iar perechile quarc-antiquarc sunt numite „mare de perechi de quarci”. Un astfel de limbaj este convenabil din punct de vedere tehnic în multe cazuri. Dar dă impresia falsă că, dacă ai putea privi în interiorul unui proton și ai privi un anumit quarc, ai putea spune imediat dacă a fost parte a mării sau unul de valență. Acest lucru nu se poate face, pur și simplu nu există o astfel de modalitate.

Masa protonilor si masa neutronilor

Deoarece masele protonului și neutronului sunt atât de asemănătoare și deoarece protonul și neutronul diferă doar prin înlocuirea cuarcului up cu cuarcul down, se pare că masele lor sunt furnizate în același mod, provin din aceeași sursă. , iar diferența lor constă în diferența ușoară dintre quarcii sus și jos. Dar cele trei figuri de mai sus indică prezența a trei vederi foarte diferite asupra originii masei protonilor.

Orez. 1 spune că quarcii sus și jos reprezintă pur și simplu 1/3 din masa protonului și neutronului: de ordinul a 0,313 GeV/c 2, sau din cauza energiei necesare pentru a menține quarcii în proton. Și întrucât diferența dintre masele unui proton și ale unui neutron este o fracțiune de procent, diferența dintre masele unui cuarc sus și jos trebuie să fie și o fracțiune de procent.

Orez. 2 este mai puțin clar. Cât de mult din masa unui proton se datorează gluonilor? Dar, în principiu, din figură rezultă că cea mai mare parte a masei protonilor provine încă din masa quarcilor, ca în Fig. 1.

Orez. 3 reflectă o abordare mai nuanțată a modului în care apare masa protonului (cum putem testa direct prin calculele computerizate ale protonului și indirect folosind alte metode matematice). Este foarte diferit de ideile prezentate în fig. 1 și 2 și se pare că nu este atât de simplu.

Pentru a înțelege cum funcționează acest lucru, trebuie să vă gândiți nu în termenii masei m a protonului, ci în termenii energiei sale de masă E = mc 2 , energia asociată cu masa. Din punct de vedere conceptual, întrebarea corectă nu este „de unde vine masa protonului m”, după care puteți calcula E prin înmulțirea m cu c 2 , ci invers: „de unde vine energia masei protonului E, ” după care se poate calcula masa m împărțind E la c 2 .

Este util să se clasifice contribuțiile la energia masei protonilor în trei grupe:

A) Energia de masă (energia de repaus) a quarcilor și antiquarcilor conținute în acesta (gluoni, particule fără masă, nu aduc nicio contribuție).
B) Energia de mișcare (energia cinetică) a quarcilor, antiquarcilor și gluonilor.
C) Energia de interacțiune (energie de legare sau energie potențială) stocată în interacțiunea nucleară puternică (mai precis, în câmpurile de gluoni) care ține protonul.

Orez. 3 spune că particulele din interiorul protonului se mișcă cu viteză mare și că acesta este plin de gluoni fără masă, deci contribuția lui B) este mai mare decât A). De obicei, în majoritatea sistemelor fizice B) și C) se dovedesc a fi comparabile, în timp ce C) este adesea negativ. Deci, energia de masă a protonului (și neutronului) provine în principal din combinația dintre B) și C), cu A) contribuind cu o mică fracție. Prin urmare, masele protonului și neutronului apar în principal nu din cauza maselor particulelor pe care le conțin, ci din cauza energiilor de mișcare ale acestor particule și a energiei interacțiunii lor asociată cu câmpurile gluonilor care generează forțele care țin proton. În majoritatea celorlalte sisteme cunoscute nouă, bilanţul energetic este distribuit diferit. De exemplu, în atomi și în sistemul solar A) domină, iar B) și C) sunt mult mai mici și comparabile ca mărime.

Pentru a rezuma, menționăm că:

• Orez. 1 presupune că energia masei protonilor provine din contribuția A).
• Orez. 2 presupune că ambele contribuții A) și B) sunt importante, B) având o contribuție mică.
• Orez. 3 sugerează că B) și C) sunt importante, iar contribuția lui A) se dovedește a fi nesemnificativă.

Știm că Fig. este corectă. 3. Putem rula simulări pe computer pentru a-l testa și, mai important, datorită diverselor argumente teoretice convingătoare, știm că dacă masele cuarcilor sus și jos ar fi zero (și orice altceva ar rămâne așa cum este), masa protonului ar fi practic zero s-ar fi schimbat. Deci, aparent, masele de quarci nu pot aduce contribuții importante la masa protonilor.

Dacă fig. 3 nu minte, masele quarcului și antiquarcului sunt foarte mici. Cum sunt de fapt? Masa cuarcului de top (precum și a antiquarcului) nu depășește 0,005 GeV/c 2, ceea ce este mult mai mic decât 0,313 GeV/c 2, ceea ce rezultă din Fig. 1. (Masa cuarcului up este greu de măsurat și variază din cauza efectelor subtile, deci poate fi mult mai mică de 0,005 GeV/c2). Masa cuarcului inferior este cu aproximativ 0,004 GeV/s 2 mai mare decât masa cuarcului superior. Aceasta înseamnă că masa oricărui cuarc sau antiquarc nu depășește un procent din masa unui proton.

Rețineți că aceasta înseamnă (contrar cu Fig. 1) că raportul dintre cuarcul down și masa cuarcului sus nu se apropie de unitate! Masa cuarcului down este de cel puțin două ori masa cuarcului up. Motivul pentru care masele neutronului și protonului sunt atât de asemănătoare nu este pentru că masele cuarcilor sus și jos sunt similare, ci pentru că masele cuarcilor sus și jos sunt foarte mici - iar diferența dintre ele este mică, relativă. la masele protonului și neutronului. Amintiți-vă că, pentru a transforma un proton într-un neutron, trebuie pur și simplu să înlocuiți unul dintre cuarcii lui up cu un cuarc down (Figura 3). Această înlocuire este suficientă pentru a face neutronul puțin mai greu decât protonul și pentru a-și schimba sarcina de la +e la 0.

Apropo, faptul că diferitele particule din interiorul protonului se ciocnesc între ele și apar și dispar în mod constant, nu afectează lucrurile despre care discutăm - energia este conservată în orice coliziune. Energia de masă și energia de mișcare a quarcilor și gluonilor se pot modifica, la fel ca și energia interacțiunii lor, dar energia totală a protonului nu se modifică, deși totul în interiorul acestuia se schimbă constant. Deci masa protonului rămâne constantă, în ciuda vortexului său intern.

În acest moment vă puteți opri și absorbi informațiile primite. Uimitor! Practic toată masa conținută în materia obișnuită provine din masa nucleonilor din atomi. Și cea mai mare parte din această masă provine din haosul inerent protonului și neutronului - din energia de mișcare a quarcilor, gluonilor și antiquarcilor din nucleoni și din energia interacțiunilor nucleare puternice care țin nucleonul în întreaga sa stare. Da: planeta noastră, corpurile noastre, respirația noastră sunt rezultatul unui asemenea pandemoniu liniștit și, până de curând, inimaginabil.

NEUTRONI(n) (din latină neuter - nici una, nici alta) - o particulă elementară cu putere electrică zero. sarcină și masă, puțin mai mari decât masa protonului. Alături de protonul sub denumirea generală. Nucleonul face parte din nucleele atomice. H. are spin 1/2 și de aceea se supune Statistici Fermi - Dirac(este un fermion). Aparține familiei adra-nov; are numărul barion B= 1, adică incluse în grup barionii.

Descoperit în 1932 de J. Chadwick, care a arătat că radiația cu penetrare greută ce rezultă din bombardarea nucleelor ​​de beriliu de către particule a este formată din particule neutre din punct de vedere electric cu o masă aproximativ egală cu cea a unui proton. În 1932, D. D. Ivanenko și W. Heisenberg au avansat ipoteza că nucleele atomice constau din protoni și H. Spre deosebire de sarcini. particule, H. pătrunde cu ușurință în nuclee cu orice energie și este foarte probabil să provoace reactii nucleare captați (n,g), (n,a), (n,p), dacă bilanţul energetic în reacţie este pozitiv. Probabilitatea de exotermie crește pe măsură ce H încetinește.invers proporțional. viteza lui. O creștere a probabilității reacțiilor de captare a H. atunci când acestea sunt încetinite în medii care conțin hidrogen a fost descoperită de E. Fermi și colaboratorii în 1934. Capacitatea lui H. de a provoca fisiunea nucleelor ​​grele, descoperită de O. Hahn și F. Strassmann (F . Strassman) în 1938 (vezi. Fisiune nucleara), a servit drept bază pentru crearea de arme nucleare și. Particularitatea interacțiunii cu materia neutronilor lenți, care au o lungime de undă de Broglie de ordinul distanțelor atomice (efecte de rezonanță, difracție etc.), servește drept bază pentru utilizarea pe scară largă a fasciculelor de neutroni în fizica stării solide. (Clasificarea H. după energii - rapidă, lentă, termică, rece, ultra-rece - vezi art. Fizica neutronilor.)

În stare liberă, H. este instabilă - suferă dezintegrare B; n p + e - + v e; durata sa de viață t n = 898(14) s, energia limită a spectrului de electroni este de 782 keV (vezi. dezintegrarea neutronilor beta). Într-o stare legată ca parte a nucleelor ​​stabile, H. este stabil (conform estimărilor experimentale, durata sa de viață depășește 10 32 de ani). Potrivit astr. Se estimează că 15% din materia vizibilă a Universului este reprezentată de H., care face parte din cele 4 nuclee He. H. este principalul componentă stele neutronice. H. libere în natură se formează în reacții nucleare cauzate de particulele a de dezintegrare radioactivă, raze cosmiceşi ca urmare a fisiunii spontane sau forţate a nucleelor ​​grele. Artă. sursele de H. sunt reactoare nucleare, explozii nucleare, acceleratori de protoni (la energie medie) și electroni cu ținte formate din elemente grele. Sursele de fascicule H. monocromatice cu o energie de 14 MeV sunt cu energie scăzută. acceleratoare de deuteron cu o țintă de tritiu sau litiu, iar în viitor, instalațiile termonucleare termonucleare se pot dovedi a fi surse intense de astfel de H. (Cm. .)

Principalele caracteristici ale H.

Masa H. t p = 939,5731(27) MeV/s2 = = 1,008664967(34) at. unitati masa 1.675. 10 -24 g. Diferența dintre masele de H. și proton a fost măsurată de la max. precizie din energie. bilanțul reacției H. captarea de către un proton: n + p d + g (g-energie cuantică = 2,22 MeV), m n- m p = 1,293323 (16) MeV/c2.

Sarcina electrica H. Q n = 0. Cele mai precise măsurători directe Q n sunt realizate prin devierea fasciculelor de H. rece sau ultrarece în electrostatic. camp: Q n<= 3·10 -21 a ei- sarcina electronilor). Kosv. date electrice neutralitate macroscopică. cantitatea de gaz pe care o dau Q n<= 2·10 -22 e.

Rotire H. J= 1/2 a fost determinată din experimente directe privind divizarea unui fascicul H într-un câmp magnetic neomogen. câmpul în două componente [în cazul general, numărul de componente este egal cu (2 J + 1)].

Consistent descrierea structurii hadronilor bazată pe modern teoria interacțiunii puternice - cromodinamica cuantică- întâmpinându-l pe cel teoretic. dificultăţi, însă, pentru mulţi va satisface complet sarcinile. rezultatele sunt date de o descriere a interacțiunii nucleonilor, reprezentați ca obiecte elementare, prin schimbul de mezoni. Să experimentăm. explorarea spatiilor. structura lui H. se realizează folosind împrăștierea leptonilor de înaltă energie (electroni, muoni, neutrini, considerați în teoria modernă drept particule punctiforme) pe deutroni. Contribuția împrăștierii pe un proton este măsurată în dep. experiment și poate fi scăzut folosind definiția. va calcula. proceduri.

Difuzarea de electroni elastică și cvasielastică (cu divizare a deuteronului) pe un deuteron face posibilă găsirea distribuției densității electrice. sarcina si magnetica momentul H. ( factor de formă H.). Conform experimentului, distribuția densității magnetice. momentul H. cu o precizie de ordinul mai multor. procentul coincide cu distribuția densității electrice. sarcină de proton și are o rază pătrată medie de ~0,8·10 -13 cm (0,8 F). Magn. H. factorul de formă este descris destul de bine de așa-numitul. dipol f-loy G M n = m n (1 + q 2 /0,71) -2, unde q 2 - pătratul impulsului transferat în unități (GeV/c) 2.

O întrebare mai complexă este despre mărimea curentului electric. (încărcare) factor de formă H. GE n. Din experimentele de împrăștiere a deuteronului putem concluziona că GE n ( q 2 ) <= 0,1 în intervalul pătratelor impulsurilor transmise (0-1) (GeV/c) 2. La q 2 0 datorită egalității cu zero electric. taxa H. GE n- > 0, cu toate acestea, poate fi determinat experimental dG E n ( q 2 )/dq 2 | q 2=0 . Această valoare este max. găsit exact din măsurători lungimi de împrăștiere H. pe învelișul de electroni a atomilor grei. De bază O parte a acestei interacțiuni este determinată de câmpul magnetic. moment H. Max. experimente precise dau lungimea ne-împrăștiere A ne = -1,378(18) . 10 -16 cm, care diferă de valoarea calculată determinată de câmpul magnetic. momentul H.: A ne = -1,468. 10 -16 cm Diferența dintre aceste valori oferă pătratul mediu electric. raza H.<r 2 E n >= = 0,088(12) Fili dG E n ( q 2)/dq 2 | q 2=0 = -0,02 F2. Aceste cifre nu pot fi considerate finale din cauza dispersiei mari de date, descompunere. experimente care depășesc erorile raportate.

O caracteristică a interacțiunii lui H. cu majoritatea nucleelor ​​este pozitivă. lungimea de împrăștiere, ceea ce duce la coeficient. refracţie< 1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. При скорости u < (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах (напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства (см. Optica neutronica).

H. şi interacţiunea slabă (electroslabă).. O sursă importantă de informații despre interacțiunea electroslabă este dezintegrarea b a H liber. La nivel de quarc, acest proces corespunde tranziției. Procesul invers al interacțiunii dintre un electron și un proton se numește. dezintegrarea b inversă. Această clasă de procese include captura electronică, având loc în nuclee, re - n v e.

Dezintegrarea H liberă ținând cont de cinematică. parametrii sunt descriși de două constante - vector G V, care se datorează curent de conservare a vectorului univers. constantă de interacțiune slabă și axial-vector G A, valoarea tăieturii este determinată de dinamica componentelor puternic interacționate ale nucleonului - cuarci și gluoni. Funcţiile de undă ale H. iniţial şi protonul final şi elementul de matrice al tranziţiei n p datorată izotopică. invarianțele sunt calculate destul de precis. Ca urmare, calculul constantelor G VȘi G A din dezintegrarea H. liberă (spre deosebire de calculele din dezintegrarea b a nucleelor) nu este asociată cu luarea în considerare a factorilor structurali nucleari.

Durata de viaţă a lui H. fără a lua în considerare anumite corecţii este egală cu: t n = kg 2 V+ 3G 2 A) -1 , unde k include cinematica factori şi corecţii coulombiane în funcţie de energia de limită a dezintegrarii b şi corecții ale radiațiilor.

Probabilitatea dezintegrarii polarizatorului. H. cu spin S , energiile și momentele electronului și antineutrinului și R e, este în general descris prin expresia:

Coef. corelații a, A, B, D poate fi reprezentat ca o funcție dintr-un parametru a = (G A/G V,)exp( i f). Faza f este diferită de zero sau p dacă T-invarianța este ruptă. În tabel sunt date date experimentale. valorile acestor coeficienți. și semnificațiile rezultate Ași f.

Există o diferență notabilă între aceste date. experimente pentru t n, ajungând la mai multe. la sută.

Descrierea interacțiunii electroslabe care implică H. la energii mai mari este mult mai complicată din cauza necesității de a se ține cont de structura nucleonilor. De exemplu, m - -capture, m - p n v m este descris de cel puțin două ori numărul de constante. H. experimentează, de asemenea, interacțiune electroslabă cu alți hadroni fără participarea leptonilor. Astfel de procese includ următoarele.

1) Dezintegrari ale hiperonilor L np 0, S + np +, S - np - etc. Probabilitatea redusă a acestor dezintegrari este de mai multe. ori mai puțin decât pentru particulele ne-straine, care este descris prin introducerea unghiului Cabibbo (vezi. Colțul Cabibbo).

2) Interacțiune slabă n - n sau n - p, care se manifestă ca forțe nucleare care nu păstrează spațiile. paritate Mărimea obișnuită a efectelor cauzate de acestea este de ordinul 10 -6 -10 -7.

Interacțiunea lui H. cu nucleele medii și grele are o serie de caracteristici, ducând în unele cazuri la semnificație. efecte de intensificare neconservarea parităţii în nuclee. Unul dintre aceste efecte este legat. diferența de secțiune transversală de absorbție a lui H. c în direcția de propagare și față de aceasta, muchii în cazul nucleului 139 La este egală cu 7% la = 1,33 eV, corespunzătoare R- rezonanța neutronilor undei. Motivul creșterii este combinația de energie scăzută. lățimea stărilor nucleului compus și densitatea mare a nivelurilor cu parități opuse în acest nucleu compus, care asigură amestecarea componentelor cu parități diferite cu 2-3 ordine de mărime mai mare decât în ​​stările joase ale nucleelor. Rezultatul este o serie de efecte: asimetria emisiei de g-quanta în raport cu spin-ul polarizatoarelor capturate. H. în reacția (n, g), asimetria emisiei de sarcină. particule în timpul dezintegrarii stărilor de compus în reacție (n, p) sau asimetria emisiei unui fragment de fisiune ușor (sau greu) în reacție (n, f). Asimetriile au o valoare de 10 -4 -10 -3 la energia termică H. V R-se realizează în plus rezonanţe neutronice de unde. îmbunătățirea asociată cu suprimarea probabilității de formare a unei componente care păstrează paritatea a acestei stări compuse (datorită lățimii mici a neutronilor R-rezonanță) față de componenta de impurități cu paritate opusă, adică s-rezonanta-som. Este o combinație a mai multor. factorii de amplificare permit ca un efect extrem de slab să se manifeste cu o amploare caracteristică interacțiunii nucleare.

Interacțiuni cu încălcarea numărului barion. Teoretic modele marea unireȘi supraunificări prezice instabilitatea barionilor - descompunerea lor în leptoni și mezoni. Aceste dezintegrari pot fi observate numai pentru cei mai ușori barioni - p și n, care fac parte din nucleele atomice. Pentru interacțiunea cu o modificare a numărului barion cu 1, D B= 1, ne-am aștepta la o transformare de tip H.: n e + p - , sau la o transformare cu emisie de mezoni ciudați. Căutarea proceselor de acest fel a fost efectuată în experimente folosind detectoare subterane cu o masă de mai multe. mii de tone. Pe baza acestor experimente, se poate concluziona că timpul de dezintegrare a lui H. cu o încălcare a numărului de barion este mai mare de 10 32 de ani.

Dr. posibil tip de interacțiune cu D ÎN= 2 poate duce la fenomenul de interconversie a lui H. şi antineutroniîn vid, adică la oscilație . În absenţa externă câmpuri sau la magnitudinea lor mică, stările lui H. și antineutronul sunt degenerate, deoarece masele lor sunt aceleași, prin urmare chiar și o interacțiune ultra-slabă le poate amesteca. Criteriul micului extern câmpurile este micșorarea energiei de interacțiune magnetică. momentul H. cu magnet. câmpul (n și n ~ au momente magnetice de semn opus) față de energia determinată de timp T observații H. (după relația de incertitudine), D<=hT-1 . Când se observă producția de antineutroni într-un fascicul H dintr-un reactor sau altă sursă T este timpul zborului H. la detector. Numărul de antineutroni din fascicul crește pătratic odată cu creșterea timpului de zbor: /N n ~ ~ (T/t osc) 2, unde t osc este timpul de oscilație.

Experimente directe privind observarea producerii în fascicule de H. rece dintr-un reactor cu flux mare dau o limită pe t osc > 10 7 s. În experimentele în curs de pregătire, se poate aștepta o creștere a sensibilității la nivelul t osc ~ 10 9 s. Circumstanțele limitative sunt max. intensitatea fasciculelor H. şi simularea fenomenelor antineutroni în detectorul cosmic. razele.

Dr. metoda de observare a oscilațiilor - observarea anihilării antineutronilor, care se pot forma în nuclee stabile. Mai mult, datorită diferenței mari dintre energiile de interacțiune ale antineutronului emergent din nucleu și energia de legare H. eff. timpul de observare devine ~ 10 -22 s, dar numărul mare de nuclee observate (~ 10 32) compensează parțial scăderea sensibilității în comparație cu experimentul pe fascicule H. Din datele experimentelor subterane de căutare a dezintegrarii protonilor, absența a evenimentelor cu o eliberare de energie de ~ 2 GeV se poate concluziona cu o anumită incertitudine, în funcție de necunoașterea tipului exact de interacțiune a antineutronului din interiorul nucleului, care t osc > (1-3). 10 7 p. Creaturi Creșterea limitei t osc în aceste experimente este împiedicată de fondul cauzat de interacțiunea particulelor cosmice. neutrini cu nuclee în detectoare subterane.

Trebuie remarcat faptul că căutarea dezintegrarii nucleonilor cu D B= 1 și căutarea -oscilațiilor sunt experimente independente, deoarece sunt cauzate de fundamental diferite tipuri de interacțiuni.

Interacțiunea gravitațională H. Neutronul este una dintre puținele particule elementare care cad în gravitație. Câmpul Pământului poate fi observat experimental. Măsurarea directă pentru H. se realizează cu o precizie de 0,3% și nu diferă de cea macroscopică. Problema conformității rămâne relevantă principiul echivalenței(egalitatea maselor inerțiale și gravitaționale) pentru H. și protoni.

Cele mai precise experimente au fost efectuate folosind metoda Et-weight pentru corpuri cu medii diferite. valorile raportului A/Z, Unde A- la. număr, Z- sarcina nucleelor ​​(în unități de sarcină elementară e). Din aceste experimente rezultă că accelerația gravitației pentru H. și protoni este identică la nivelul 2·10 -9, iar egalitatea gravitației. iar mase inerte la nivelul ~10 -12.

Gravitatie accelerația și decelerația sunt utilizate pe scară largă în experimentele cu H ultrarece. Aplicarea gravitației. Un refractometru pentru H. rece și ultrarece permite măsurarea cu mare precizie a lungimilor de împrăștiere coerentă a H. pe o substanță.

H. în cosmologie şi astrofizică

Conform modernului idei, în modelul Universului fierbinte (vezi. Teoria Universului fierbinte)Formarea barionilor, inclusiv protonii și hidrogenul, are loc în primele minute de viață ale Universului. Ulterior, o anumită parte a H., care nu a avut timp să se descompună, este capturată de protoni cu formarea de 4 He. Raportul dintre hidrogen și 4 He este de 70% până la 30% în greutate. În timpul formării stelelor și evoluției lor, mai departe nucleosinteză, până la nuclee de fier. Formarea nucleelor ​​mai grele are loc ca urmare a exploziilor de supernove odată cu nașterea stelelor neutronice, creând posibilitatea unor succesive. captarea H. de către nuclizi. În acest caz, combinația dintre așa-numitele. s-proces - captare lenta a H. cu dezintegrare b intre capturi succesive si r-proces - secvenţial rapid. captarea în timpul exploziilor de stele în principal. poate explica cele observate prevalența elementelor in spatiu obiecte.

În componenta primară a cosmicului razele H. sunt probabil absente din cauza instabilitatii lor. H., format la suprafața Pământului, difuzându-se în spațiu. spațiul și cei care se descompun acolo se pare că contribuie la formarea componentelor de electroni și protoni curele de radiații Pământ.

Lit.: Gurevici I.S., Tarasov L.V., Fizica neutronilor cu energie joasă, M., 1965; Alexandrov Yu. A. Proprietățile fundamentale ale neutronului, ed. a II-a, M., 1982.