Меню

Что такое нуклоны и как их найти



Что такое нуклоны

Протоны и нейтроны имеют почти одинаковую массу, разница ее составляет не более 1 %. Силы, действующие между двумя протонами или нейтронами, на одинаковом расстоянии, практически равны. Наиболее существенным различием между нейтроном и протоном является наличие у последнего положительного электрического заряда. Нейтрон, в отличие от протона, заряда не имеет.

Фундаментальной частицей вещества является ядро водорода, поскольку оно представляет собой протон. Этот факт установил Э. Резерфорд, он доказал, что масса положительного заряда атома находится в очень маленькой области пространства. Масса протона в 1836 раз превышает массу электрона, а его электрический заряд равен по величине заряду электрона, но имеет противоположный знак. Так же, как и электрон, протон обладает спином, не равным нулю. Спин – это характеристика вращения частицы вокруг своей оси, аналогично суточному вращению Земли. Если протон находится в магнитном поле, то он вращается, как юла, под воздействием силы тяжести. Скорость этого движения определяется магнитным моментом. Его направление у протона совпадает с направлением оси вращения.

Существование нейтронов было доказано ассистентом Э. Резерфорда Дж. Чедвиком. В своем опыте Чедвик облучал бериллий, который в свою очередь также становился источником излучения. Данное излучение при столкновении с ядрами выбивало из них протоны. Чедвик предположил, что излучение представляет собой поток частиц с массой, равной массе протона, но не имеющих электрического заряда, и назвал их нейтронами.

В современной физике существует кварковая модель, дающая представление о структуре нуклонов. Согласно ей, нуклоны состоят из кварков трех типов – более простых частиц. Если по данной теории заряд протона обозначить через е, то он будет иметь два кварка с зарядом +2/3е и один кварк с зарядом -1/3е, а нейтрон – один кварк с зарядом +2/3е и два кварка с зарядом –1/3е. Эта модель имеет довольно убедительное подтверждение в экспериментах по рассеиванию электронов высоких энергий. Электроны при взаимодействии с нуклонами выявили у них присутствие внутренней структуры.

Источник статьи: http://www.kakprosto.ru/kak-91599-chto-takoe-nuklony

Нуклон — Nucleon

В химии и физике , нуклон является либо протон или нейтрон , рассматривается в его роли в качестве составляющей атомного ядра . Число нуклонов в ядре определяет изотоп «сек массового числа (номер нуклонного) .

До 1960-х годов нуклоны считались элементарными частицами , не состоящими из более мелких частей. Теперь они известны как составные частицы , состоящие из трех кварков, связанных друг с другом сильным взаимодействием . Взаимодействие между двумя или более нуклонами называется межнуклонным взаимодействием или ядерной силой , которая также в конечном итоге вызвана сильным взаимодействием. (До открытия кварков термин «сильное взаимодействие» относился только к межнуклонным взаимодействиям.)

Нуклоны находятся на границе пересечения физики элементарных частиц и ядерной физики . Физика элементарных частиц, особенно квантовая хромодинамика , предоставляет фундаментальные уравнения, объясняющие свойства кварков и сильного взаимодействия. Эти уравнения количественно объясняют, как кварки могут соединяться в протоны и нейтроны (и все другие адроны ). Однако, когда несколько нуклонов собираются в атомное ядро ​​( нуклид ), эти фундаментальные уравнения становятся слишком трудными для прямого решения (см. Решеточную КХД ). Вместо этого нуклиды изучаются в рамках ядерной физики , которая изучает нуклоны и их взаимодействия с помощью приближений и моделей, таких как модель ядерной оболочки . Эти модели могут успешно объяснить свойства нуклидов, например, подвергается ли конкретный нуклид радиоактивному распаду .

Протон и нейтрон входят в схему категорий, одновременно являющихся фермионами , адронами и барионами . Протон несет положительный суммарный заряд, а нейтрон несет нулевой суммарный заряд; масса протона всего на 0,13% меньше массы нейтрона. Таким образом, их можно рассматривать как два состояния одного и тот же нуклон, и вместе образуют изоспиновой дублет ( I = 1 / 2 ). В изоспиновом пространстве нейтроны могут превращаться в протоны с помощью SU (2) -симметрии, и наоборот. На эти нуклоны одинаково действует сильное взаимодействие, которое инвариантно относительно вращения в изоспиновом пространстве. Согласно теореме Нётер изоспин сохраняется по отношению к сильному взаимодействию. <

Содержание

Обзор

Свойства

Протоны и нейтроны наиболее известны как нуклоны, т. Е. Как компоненты атомных ядер, но они также существуют как свободные частицы. Свободные нейтроны нестабильны, их период полураспада составляет около 13 минут, но у них есть важные приложения (см. Нейтронное излучение и рассеяние нейтронов ). Протоны, не связанные с другими нуклонами, являются ядрами атомов водорода, когда они связаны с электроном, или — если они ни с чем не связаны — являются ионами или космическими лучами.

И протон, и нейтрон — составные частицы , то есть каждая состоит из более мелких частей, а именно из трех кварков каждая; хотя когда-то считалось так, ни то, ни другое не является элементарной частицей . Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка , а нейтрон имеет один верхний кварк и два нижних кварка. Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием или, что эквивалентно, глюонами , которые опосредуют сильное взаимодействие на кварковом уровне.

Вверх-кварк имеет электрический заряд ​ + +2 / +3 е и вниз кварк имеет заряд — 1 ⁄ 3 e , поэтому суммарные электрические заряды протона и нейтрона равны + e и 0 соответственно. Таким образом, нейтрон имеет заряд 0 (ноль) и, следовательно, электрически нейтрален; действительно, термин «нейтрон» происходит от того факта, что нейтрон электрически нейтрален.

Массы протона и нейтрона очень похожи: протон 1,6726 × 10 −27 кг или 938,27 МэВ / c 2 , а нейтрон 1,6749 × 10 −27 кг или 939,57 МэВ / c 2 . Нейтрон тяжелее примерно на 0,13%. Сходство масс можно примерно объяснить небольшой разницей в массах верхних и нижних кварков, составляющих нуклоны. Однако подробное объяснение остается нерешенной проблемой в физике элементарных частиц.

Спин нуклона 1 / +2 , что означает , что они являются фермионами и, как электроны , подчиняются Паули принципа исключения : не более одного нуклон, например , в атомном ядре, могут занимать то же квантовое состояние .

В изоспиновом и спине числа квантового нуклона имеет два состояния каждое, в результате чего четыре комбинации в общей сложности. Альфа — частица состоит из четырех нуклонов , занимающих все четыре комбинации, а именно он имеет два протон (с противоположным спином ) и два нейтрона (также имеющий противоположный спин) и его чистый ядерный спин равен нуль. В более крупных ядрах составляющие нуклоны, чтобы избежать исключения Паули, вынуждены иметь относительное движение, которое также может вносить вклад в ядерный спин через орбитальное квантовое число . Они распространяются в ядерные оболочки, аналогичные электронным оболочкам, известным из химии.

Магнитный момент протона, обозначается М р , является 2,79 μ N (где μ N представляет собой атомно-масштабный единица измерения называется ядерный магнетон ). Магнитный момент нейтрона μ n = -1,91 μ N . Эти параметры также важны при сканировании ЯМР / МРТ .

Стабильность

Нейтрон в свободном состоянии — нестабильная частица с периодом полураспада около десяти минут. Он подвергается
β —
распад (тип радиоактивного распада ) путем превращения в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино . (См. Статью Neutron для более подробного обсуждения распада нейтрона.) Протон сам по себе считается стабильным, или, по крайней мере, его время жизни слишком велико для измерения. Это важное обсуждение в физике элементарных частиц (см. Распад протона ).

С другой стороны, внутри ядра объединенные протоны и нейтроны (нуклоны) могут быть стабильными или нестабильными в зависимости от нуклида или ядерной разновидности. Внутри некоторых нуклидов нейтрон может превращаться в протон (производя другие частицы), как описано выше; обратное может произойти внутри других нуклидов, где протон превращается в нейтрон (производя другие частицы) через
β +
распад или захват электрона . А внутри других нуклидов и протоны, и нейтроны стабильны и не меняют формы.

Антинуклоны

У обоих нуклонов есть соответствующие античастицы : антипротон и антинейтрон , которые имеют ту же массу и противоположный заряд, что и протон и нейтрон, соответственно, и взаимодействуют одинаково. (Это , как правило , считается, что именно так, в связи с СРТ — симметрии . Если есть разница, он слишком мал для измерения во всех экспериментах на сегодняшний день.) В частности, антинуклоны может связать в «антиядра». К настоящему времени ученые создали ядра антидейтерия и антигелия-3.

Таблицы подробных свойств

Нуклоны

Нуклоны ( I = 1 / 2 ; S = C = B = 0)

Имя частицы Условное обозначение Содержание кварка Масса ( МэВ / c 2 ) Масса ( u ) Я 3 J P Q ( e ) Магнитный момент Средний срок службы ( а ) Обычно распадается на
протон п
/
п +
/
N +
ты

ты

d
938,272 013 ± 0,000 023 1,007 276 466 77 ± 0,000 000 000 10 + 1 / 2 ​ 1 ⁄ 2 + +1 2,792 847 356 ± 0,000 000 023 Стабильный Незаметно
нейтрон п
/
п 0
/
N 0
ты

d

d
939,565 346 ± 0,000 023 1,008 664 915 97 ± 0,000 000 000 43 ​ — 1 ⁄ 2 ​ 1 ⁄ 2 + 0 −1,913 042 73 ± 0,000 000 45 (8,857 ± 0,008) × 10 +2 п
+
е —
+
ν
е
антипротон п
/
п —
/
N —
ты

ты

d
938,272 013 ± 0,000 023 1,007 276 466 77 ± 0,000 000 000 10 ​ — 1 ⁄ 2 ​ 1 ⁄ 2 + −1 -2,793 ± 0,006 Стабильный Незаметно
антинейтрон п
/
п 0
/
N 0
ты

d

d
939,485 ± 0,051 1,008 664 915 97 ± 0,000 000 000 43 ​ + 1 ⁄ 2 ​ 1 ⁄ 2 + 0 ? (8,857 ± 0,008) × 10 +2 п
+
е +
+
ν
е

^ a Массы протона и нейтрона известны с гораздо большей точностью в атомных единицах массы (u), чем в МэВ / c 2 , из-за относительно плохо известного значения элементарного заряда . Используемый коэффициент преобразования: 1 u = 931,494 028 ± 0,000 023 МэВ / c 2 .

Считается, что массы их античастиц идентичны, и до сих пор ни один эксперимент не опроверг это. Текущие эксперименты показывают, что любая процентная разница между массами протона и антипротона должна быть меньше, чем 2 × 10 −9, а разница между массами нейтрона и антинейтрона порядка (9 ± 6) × 10 −5 МэВ / c 2 .

Тесты протон-антипротонной инвариантности CPT

Контрольная работа Формула Результат PDG
Масса | м п — м п ¯ | м п < displaystyle < frac <| m_

-m _ < bar

> |> >>>

2 × 10 −9
Отношение заряда к массе | q п ¯ м п ¯ | ( q п м п ) < displaystyle < frac < left | < frac >> >>> right |> < left (< frac ) > >> right)>>> 0,999 999 999 91 ± 0,000 000 000 09
Отношение заряда к массе к массе | q п ¯ м п ¯ | — q п м п q п м п < displaystyle < frac < left | < frac >> >>> right | — < frac > >>> < frac > >>>> (−9 ± 9) × 10 −11
Заряжать | q п + q п ¯ | е < displaystyle < frac < left | q_

+ q _ < bar

> right |> >>

2 × 10 −9
Электронный заряд | q п + q е | е < displaystyle < frac < left | q_

+ q_ right |> >>

1 × 10 −21
Магнитный момент | μ п + μ п ¯ | μ п < displaystyle < frac < left | mu _

+ mu _ < bar

> right |> < mu _

>>>

(−0,1 ± 2,1) × 10 −3

^ c Для свободных нейтронов ; в большинстве обычных ядер нейтроны стабильны.

Нуклонные резонансы

Нуклонные резонансы — это возбужденные состояния нуклонных частиц, часто соответствующие одному из кварков с перевернутым спином или с другим орбитальным угловым моментом при распаде частицы. В эту таблицу включены только резонансы с рейтингом 3 или 4 звезды в группе данных по частицам (PDG). Из-за их чрезвычайно короткого времени жизни многие свойства этих частиц все еще исследуются.

Формат символа представлен как N ( m ) L IJ , где m — приблизительная масса частицы, L — орбитальный угловой момент пары нуклон-мезон, образующийся при распаде, а I и J — изоспин частицы и общий угловой импульс соответственно. Так как нуклоны определены как имеющие 1 / 2 изоспина, первое число всегда будет 1, а второе число всегда будет нечетным. При обсуждении нуклонных резонансов иногда N опускают и меняют порядок в виде L IJ ( m ); например, протон может быть обозначен как «N (939) S 11 » или «S 11 (939)».

В таблице ниже указан только базовый резонанс; каждая отдельная запись представляет 4 бариона : 2 нуклонных резонансных частицы, а также 2 их античастицы. Каждый резонанс существует в форме с положительным электрическим зарядом (Q) с кварковым составом
ты

ты

d
как протон, и нейтральная форма, с кварковым составом
ты

d

d
как нейтрон, так и соответствующие античастицы с антикварковым составом
ты

ты

d
и
ты

d

d
соответственно. Поскольку они не содержат странных , очаровательных , нижних или верхних кварков, эти частицы не обладают странностями и т. Д.

Таблице перечислены только резонансы с изоспином = 1 / 2 . Для резонансов с изоспином = 3 / 2 , см статью о Delta барионов .

Нуклонных резонансов с I = 1 / 2

Условное обозначение J P Средняя масса PDG
( МэВ / c 2 )
Полная ширина
(МэВ / c 2 )
Полюсное положение
(действительная часть)
Положение полюса
(−2 × мнимая часть)
Обычные распады
i / Γ> 50%)
N (939) P 11
​ 1 ⁄ 2 + 939
N (1440) P 11

он же резонанс Ропера

​ 1 ⁄ 2 + 1440
(1420–1470)
300
(200–450)
1365
(1350–1380)
190
(160–220)
N
+
π
N (1520) D 13 ​ 3 ⁄ 2 1520
(1515–1525)
115
(100–125)
1510
(1505–1515)
110
(105–120)
N
+
π
N (1535) S 11 ​ 1 ⁄ 2 1535
(1525–1545)
150
(125–175)
1510
(1490–1530)
170
(90–250)
N
+
π
или же

N
+
η

N (1650) S 11 ​ 1 ⁄ 2 1650
(1645–1670)
165
(145–185)
1665
(1640–1670)
165
(150–180)
N
+
π
N (1675) D 15 ​ 5 ⁄ 2 1675
(1670–1680)
150
(135–165)
1660
(1655–1665)
135
(125–150)
N
+
π
+
π
или же

Δ
+
π

N (1680) F 15 ​ 5 ⁄ 2 + 1685
(1680–1690)
130
(120–140)
1675
(1665–1680)
120
(110–135)
N
+
π
N (1700) D 13 ​ 3 ⁄ 2 1700
(1650–1750)
100
(50–150)
1680
(1630–1730)
100
(50–150)
N
+
π
+
π
N (1710) P 11 ​ 1 ⁄ 2 + 1710
(1680–1740)
100
(50–250)
1720
(1670–1770)
230
(80–380)
N
+
π
+
π
N (1720) P 13 ​ 3 ⁄ 2 + 1720
(1700–1750)
200
(150–300)
1675
(1660–1690)
115–275 N
+
π
+
π
или же

N
+
ρ

N (2190) G 17 ​ 7 ⁄ 2 2190
(2100–2200)
500
(300–700)
2075
(2050–2100)
450
(400–520)
N
+
π
(10–20%)
Обычн. (2220) ч. 19 ​ 9 ⁄ 2 + 2250
(2200–2300)
400
(350–500)
2170
(2130–2200)
480
(400–560)
N
+
π
(10–20%)
N (2250) G 19 ​ 9 ⁄ 2 2250
(2200–2350)
500
(230–800)
2200
(2150–2250)
450
(350–550)
N
+
π
(5-15%)

Нуклон P 11 (939) представляет собой возбужденное состояние нормального протона или нейтрона, например, в ядре атома. Такие частицы обычно стабильны внутри ядра, то есть лития-6 .

Классификация кварковой модели

В кварковой модели с ароматом SU (2) два нуклона являются частью дублета основного состояния. Протон имеет кварковое содержание uud , а нейтрон — udd . В SU (3) вкус, они являются частью основного состояния октета ( 8 ) от спиновых 1 / 2 барионов , известных как способ Восьмеричного . Остальные члены этого октета — странный изотриплет гиперонов. ​
Σ +
,
Σ 0
,
Σ —
, то
Λ
и странный изодублет
Ξ 0
,
Ξ —
. Можно расширить этот мультиплет в аромате SU (4) (с включением очаровательного кварка) до 20- плета основного состояния или до аромата SU (6) (с включением верхнего и нижнего кварков) в основное состояние 56 -плет.

В статье об изоспине дается явное выражение для волновых функций нуклона в терминах собственных состояний аромата кварков.

Модели

Хотя известно, что нуклон состоит из трех кварков, по состоянию на 2006 г. неизвестно, как решить уравнения движения для квантовой хромодинамики . Таким образом, исследование низкоэнергетических свойств нуклона проводится с помощью моделей. Единственный доступный подход из первых принципов — это попытка решить уравнения КХД численно, используя КХД на решетке . Это требует сложных алгоритмов и очень мощных суперкомпьютеров . Однако существует также несколько аналитических моделей:

Модели Skyrmion

В скирмионе модель нуклонная как топологический солитон в нелинейной SU (2) пион поле. Топологическая устойчивость скирмиона интерпретируется как сохранение барионного числа , то есть нераспад нуклона. Локальная плотность топологической намотки отождествляется с локальной плотностью барионного числа нуклона. С векторным полем изоспина пиона, ориентированным в форме пространства ежа , модель легко разрешима, поэтому ее иногда называют моделью ежа . Модель ежа способна предсказывать низкоэнергетические параметры, такие как масса нуклона, радиус и константа осевого взаимодействия , примерно до 30% от экспериментальных значений.

Модель сумки MIT

Модель мешка MIT ограничивает три невзаимодействующих кварка сферической полостью с граничным условием, что вектор кваркового тока обращается в нуль на границе. Невзаимодействие кварков оправдано обращением к идее асимптотической свободы , тогда как жесткое граничное условие оправдывается удержанием кварков .

Математически модель отдаленно напоминает модель резонатора радара с решениями уравнения Дирака, заменяющими решения уравнений Максвелла, и граничным условием исчезающего вектора тока, стоящим за проводящими металлическими стенками полости радара. Если радиус мешка установлен равным радиусу нуклона, модель мешка предсказывает массу нуклона, которая находится в пределах 30% от реальной массы.

Хотя базовая модель мешка не обеспечивает опосредованного пионами взаимодействия, она превосходно описывает нуклон-нуклонные силы через механизм s-канала мешка из 6 кварков с использованием P-матрицы.

Модель хирального мешка

Модель хиральной сумки объединяет модель сумки MIT и модель Skyrmion . В этой модели дыра сделана в середине скирмиона и заменена моделью сумки. Граничное условие обеспечивается требованием непрерывности аксиального векторного тока через границу мешка.

Очень любопытно, что недостающая часть топологического числа намотки (барионного числа) дыры, пробитой в Скирмионе, в точности состоит из ненулевого значения математического ожидания (или спектральной асимметрии ) кварковых полей внутри мешка. По состоянию на 2017 год этот замечательный компромисс между топологией и спектром оператора не имеет никакого обоснования или объяснения в математической теории гильбертовых пространств и их связи с геометрией .

Следует отметить несколько других свойств хирального мешка: он обеспечивает лучшее соответствие свойствам низкоэнергетических нуклонов с точностью до 5–10%, и они почти полностью не зависят от радиуса хирального мешка (если радиус меньше радиус нуклона). Эта независимость радиуса упоминается как принцип Чеширского кота , после угасания Льюиса Кэрролла «s Чеширского Кота , чтобы только его улыбка. Ожидается, что решение уравнений КХД из первых принципов продемонстрирует аналогичную двойственность кварк-пионных описаний.

Источник статьи: http://ru.qaz.wiki/wiki/Nucleon


Adblock
detector