Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Атом ядросын құрайтын бөлшек (протон немесе нейтрон)
Particle that makes up the atomic nucleus (proton or neutron)
Физика мен химияда нуклеон – атом ядросының құрамдас бөлігі ретінде қарастырылатын протон немесе нейтрон. Ядродағы нуклеондардың саны атомның массалық санын (нуклеондық санын) анықтайды. 1960 жылға дейін нуклеондар кішірек бөлшектерден емес, элементар бөлшектер деп есептелді. Қазір олардың үш кварктан тұратын, күшті өзара әрекеттесу арқылы байланысқан құрамдас бөлшектер екені белгілі. Екі немесе одан көп нуклеондардың өзара әрекеттесуі ядролық өзара әрекеттесу немесе ядролық күш деп аталады, ол да күшті өзара әрекеттесудің нәтижесі болып табылады. (Кварктар ашылғанға дейін "күшті өзара әрекеттесу" термині тек нуклеондар арасындағы өзара әрекеттесулерге қатысты болған.) Нуклеондар бөлшектер физикасы мен ядролық физиканың қиылысатын шекарасында орналасқан. Бөлшектер физикасы, әсіресе кванттық хромодинамика, кварктардың және күшті өзара әрекеттесудің қасиеттерін сипаттайтын негізгі теңдеулерді ұсынады. Бұл теңдеулер кварктардың протон мен нейтронға (және басқа да адрондарға) қалай байланысатынын сандық түрде көрсетеді. Бірақ бірнеше нуклеон атом ядросына (нуклидке) жиналғанда, бұл негізгі теңдеулерді тікелей шешу өте қиын (қараңыз: торлы QCD). Оның орнына, нуклидтер ядролық физика шеңберінде зерттеледі, ол ядролық қабық моделі сияқты жуықтаулар мен модельдер арқылы нуклеондарды және олардың өзара әрекеттесуін зерттейді. Бұл модельдер нуклидтердің қасиеттерін, мысалы, белгілі бір нуклид радиоактивті ыдырауға ұшырай ма, жоқ па, сәтті сипаттай алады. Протон мен нейтрон бір уақытта фермион, адрон және барион саналатын санаттар жүйесінде орналасқан. Протон оң таза зарядты, ал нейтрон нөлдік таза зарядты алып жүреді; протонның массасы нейтроннан шамамен 0,13%-ға кем. Сондықтан, оларды бір нуклеонның екі күйі ретінде қарастыруға болады, және олар бірге изоспин дублетін құрайды. Изоспин кеңістігінде нейтрондар SU(2) симметриясы арқылы протонға және керісінше айналуы мүмкін. Бұл нуклеондар күшті өзара әрекеттесу арқылы тең дәрежеде әсер етеді, ол изоспин кеңістігінде айналу кезінде өзгермейді. Нотер теоремасына сәйкес, изоспин күшті өзара әрекеттесуге қатысты сақталады.
In physics and chemistry, a nucleon is either a proton or a neutron, considered in its role as a component of an atomic nucleus. The number of nucleons in a nucleus defines the atom's mass number (nucleon number). Until the 1960s, nucleons were thought to be elementary particles, not made up of smaller parts. Now they are known to be composite particles, made of three quarks bound together by the strong interaction. The interaction between two or more nucleons is called internucleon interaction or nuclear force, which is also ultimately caused by the strong interaction. (Before the discovery of quarks, the term "strong interaction" referred to just internucleon interactions.) Nucleons sit at the boundary where particle physics and nuclear physics overlap. Particle physics, particularly quantum chromodynamics, provides the fundamental equations that describe the properties of quarks and of the strong interaction. These equations describe quantitatively how quarks can bind together into protons and neutrons (and all the other hadrons). However, when multiple nucleons are assembled into an atomic nucleus (nuclide), these fundamental equations become too difficult to solve directly (see lattice QCD). Instead, nuclides are studied within nuclear physics, which studies nucleons and their interactions by approximations and models, such as the nuclear shell model. These models can successfully describe nuclide properties, as for example, whether or not a particular nuclide undergoes radioactive decay. The proton and neutron are in a scheme of categories being at once fermions, hadrons and baryons. The proton carries a positive net charge, and the neutron carries a zero net charge; the proton's mass is only about 0.13% less than the neutron's. Thus, they can be viewed as two states of the same nucleon, and together form an isospin doublet In isospin space, neutrons can be transformed into protons and conversely by SU(2) symmetries. These nucleons are acted upon equally by the strong interaction, which is invariant under rotation in isospin space. According to Noether's theorem, isospin is conserved with respect to the strong interaction.
Қасиеттері
Протон мен нейтрон ядролық бөлшектер ретінде, яғни атом ядросының құрамдас бөліктері ретінде жақсы белгілі, бірақ олар бос бөлшектер түрінде де кездеседі. Бос нейтрондар тұрақсыз, олардың жартылай ыдырау периоды шамамен 13 минутты құрайды, бірақ олардың маңызды қолданыстары бар (нейтрон сәулеленуі және нейтрон шашырауына қараңыз). Протондар, егер электронмен байланысса, сутек атомдарының ядроларын құрайды, ал басқа нуклондарға байланыспаса, иондар немесе ғарыш сәулелері болып табылады. Протон да, нейтрон да күрделі бөлшектер болып табылады, яғни әрқайсысы кішірек бөлшектерден – атап айтқанда, үш кварктан тұрады; бұрын элементарлық бөлшектер деп есептелгенімен, екеуі де элементарлық емес. Протон екі «жоғары» кварктан және бір «төмен» кварктан, ал нейтрон бір «жоғары» кварктан және екі «төмен» кварктан тұрады. Кварктар күшті күш арқылы немесе, балама ретінде, кварк деңгейінде күшті күшті тасымалдайтын глюондар арқылы бірге ұсталады. «Жоғары» кварктың электр заряды +e, ал «төмен» кварктың заряды -e, сондықтан протон мен нейтронның электр заряды тиісінше +e және 0 тең. Осылайша, нейтронның заряды 0 (нөлге) тең, демек ол электрлік жағынан бейтарап; іс жүзінде, «нейтрон» термині нейтронның электрлік бейтараптығынан шыққан. Протон мен нейтронның массалары шамамен бірдей: протон үшін 1.6726 (938.27), ал нейтрон үшін 1.6749 (939.57); нейтрон шамамен 0,13%-ға ауыр. Массаның ұқсастығын нуклондарды құрайтын «жоғары» және «төмен» кварктардың массасының шамалы айырмашылығымен түсіндіруге болады. Дегенмен, бөлшектер физикасындағы толық сипаттама әлі шешілмеген мәселе болып қана қоймайды. Протонның магниттік моменті ЯМР/МРТ сканилеуі үшін қолданылады.
Protons and neutrons are best known in their role as nucleons, i. e., as the components of atomic nuclei, but they also exist as free particles. Free neutrons are unstable, with a half life of around 13 minutes, but they have important applications (see neutron radiation and neutron scattering). Protons not bound to other nucleons are the nuclei of hydrogen atoms when bound with an electron or if not bound to anything are ions or cosmic rays. Both the proton and the neutron are composite particles, meaning that each is composed of smaller parts, namely three quarks each; although once thought to be so, neither is an elementary particle. A proton is composed of two up quarks and one down quark, while the neutron has one up quark and two down quarks. Quarks are held together by the strong force, or equivalently, by gluons, which mediate the strong force at the quark level. An up quark has electric charge e, and a down quark has charge e, so the summed electric charges of proton and neutron are +e and 0, respectively. Thus, the neutron has a charge of 0 (zero), and therefore is electrically neutral; indeed, the term "neutron" comes from the fact that a neutron is electrically neutral. The masses of the proton and neutron are similar: for the proton it is 1.6726 (938.27), while for the neutron it is 1.6749 (939.57); the neutron is roughly 0.13% heavier. The similarity in mass can be explained roughly by the slight difference in masses of up quarks and down quarks composing the nucleons. However, a detailed description remains an unsolved problem in particle physics. The proton magnetic moment is exploited for NMR / MRI scanning.
Тұрақтылық
Еркін күйдегі нейтрон тұрақсыз бөлшек, оның жартылай ыдырау мерзімі шамамен он минутты құрайды. Ол ыдырауға ұшырайды (радиоактивті ыдыраудың бір түрі), электрон мен электрон антинейтриносын шығарып, протонға айналады. Бұл реакция нейтронның массасы протонының массасынан сәл артық болғандықтан жүзеге асады. (Нейтронның ыдырауы туралы толық ақпарат алу үшін Нейтрон мақаласын қараңыз.) Протонның өзі тұрақты деп саналады, немесе кем дегенде оның өмір сүру мерзімі өлшеуге мүмкін емес. Бұл бөлшектер физикасының маңызды мәселесі (Протонның ыдырауына қараңыз). Ал ядроның ішінде, керісінше, протон мен нейтронның (нуклондардың) комбинациясы нуклидке, яғни ядролық түрге байланысты тұрақты немесе тұрақсыз болуы мүмкін. Кейбір нуклидтерде нейтрон жоғарыда сипатталғандай протонға (басқа бөлшектерді бөліп шығара отырып) айналуы мүмкін; ал басқа нуклидтерде протон ыдырау немесе электронды ұстау арқылы нейтронға (басқа бөлшектерді бөліп шығара отырып) айналуы мүмкін. Тағы да басқа нуклидтерде протон мен нейтрон екеуі де тұрақты болып, өз құрамын өзгерте алмайды.
A neutron in free state is an unstable particle, with a half life around ten minutes. It undergoes decay (a type of radioactive decay) by turning into a proton while emitting an electron and an electron antineutrino. This reaction can occur because the mass of the neutron is slightly greater than that of the proton. (See the Neutron article for more discussion of neutron decay.) A proton by itself is thought to be stable, or at least its lifetime is too long to measure. This is an important discussion in particle physics (see Proton decay). Inside a nucleus, on the other hand, combined protons and neutrons (nucleons) can be stable or unstable depending on the nuclide, or nuclear species. Inside some nuclides, a neutron can turn into a proton (producing other particles) as described above; the reverse can happen inside other nuclides, where a proton turns into a neutron (producing other particles) through decay or electron capture. And inside still other nuclides, both protons and neutrons are stable and do not change form.
Антинуклеондар
Екі нуклеонның да сәйкес антибөлшектері бар: антипротон және антинейтрон. Олардың массасы протондар мен нейтрондардың массасына тең, ал зарядтары кері шартты, және олар осымен бірдей әрекеттеседі. (Бұл CPT симметриясының арқасында әдетте дәл деп саналады. Егер айырмашылық болса, ол бүгінгі күнге дейін жасалған барлық тәжірибелерде анықталмаған.) Атап айтқанда, антинуклеондардан "антиядро" жасауға болады. Осы уақытқа дейін ғалымдар антидейтерий және антигелий-3 ядроларын жасады.
Both nucleons have corresponding antiparticles: the antiproton and the antineutron, which have the same mass and opposite charge as the proton and neutron respectively, and they interact in the same way. (This is generally believed to be exactly true, due to CPT symmetry. If there is a difference, it is too small to measure in all experiments to date.) In particular, antinucleons can bind into an "antinucleus". So far, scientists have created antideuterium and antihelium 3 nuclei.
Кварк үлгісінің жіктелуі
SU(2) дәмі бар кварк моделінде екі нуклон негізгі күйдегі дублеттің құрамына кіреді. Протонның кварк құрамы uud, ал нейтронның құрамы udd. SU(3) дәмінде олар спиндік бариондардың негізгі күйдегі октетінің (8) бөлігі болып табылады, бұл «Сегіздік жол» деп белгілі. Осы октеттің басқа мүшелері – гиперондардың ерекше изотриплеттері (Λ⁰, Σ⁺, Σ⁻, Σ⁰), Ξ⁰ және ерекше изодоублеттері (Σ⁺, Σ⁻). Бұл мультиплетті SU(4) дәмінде (шарм кваркінің қосылуымен) негізгі күйдегі 20-лық мультиплетке немесе SU(6) дәмінде (топ және төмен кварктарының қосылуымен) негізгі күйдегі 56-лық мультиплетке кеңейтуге болады. Изоспин туралы мақалада кварк дәмдерінің өзіндік күйлері арқылы нуклондық толқындық функциялар үшін нақты өрнек келтірілген.
In the quark model with SU(2) flavour, the two nucleons are part of the ground state doublet. The proton has quark content of uud, and the neutron, udd. In SU(3) flavour, they are part of the ground state octet (8) of spin baryons, known as the Eightfold way. The other members of this octet are the hyperons strange isotriplet , , , the and the strange isodoublet , One can extend this multiplet in SU(4) flavour (with the inclusion of the charm quark) to the ground state 20 plet, or to SU(6) flavour (with the inclusion of the top and bottom quarks) to the ground state 56 plet. The article on isospin provides an explicit expression for the nucleon wave functions in terms of the quark flavour eigenstates.
Модельдер
Нуклондар үш кварктан құралатыны белгілі болғанымен, 2006 жылға дейін кванттық хромодинамиканың қозғалыс теңдеулерін шешуге қалай қол жеткізу керектігі белгісіз еді. Сондықтан, нуклонның төмен энергиялық қасиеттерін зерттеу модельдер арқылы жүргізіледі. Қолда бар жалғыз алғашқы қағидаларға негізделген тәсіл – QCD теңдеулерін сандық түрде, торлы QCD қолдану арқылы шешуге тырысу. Бұл үшін күрделі алгоритмдер және өте қуатты суперкомпьютерлер қажет. Дегенмен, бірнеше аналитикалық модельдер де бар:
Although it is known that the nucleon is made from three quarks, as of 2006, it is not known how to solve the equations of motion for quantum chromodynamics. Thus, the study of the low energy properties of the nucleon are performed by means of models. The only first principles approach available is to attempt to solve the equations of QCD numerically, using lattice QCD. This requires complicated algorithms and very powerful supercomputers. However, several analytic models also exist:
Скирмион үлгілері
Скирмион ядроны сызықтық емес SU(2) пиондық өрістегі топологиялық солитон ретінде бейнелейді. Скирмионның топологиялық тұрақтылығы бариондық санның сақталуы, яғни нуклондардың ыдырамайтыны ретінде түсіндіріледі. Жергілікті топологиялық оралу санының тығыздығы нуклондардың жергілікті бариондық санының тығыздығымен сәйкес келеді. Пиондық изоспин векторлық өрісі елік пішіндес кеңістікте бағытталған кезде модель оңай шешіледі, сондықтан оны кейде елік модель деп атайды. Елік модель нуклон массасы, радиусы және осьтік байланыс константасы сияқты төмен энергиялы параметрлерді эксперименттік мәндердің шамамен 30% дәлдігімен болжауға мүмкіндік береді.
The skyrmion models the nucleon as a topological soliton in a nonlinear SU(2) pion field. The topological stability of the skyrmion is interpreted as the conservation of baryon number, that is, the non decay of the nucleon. The local topological winding number density is identified with the local baryon number density of the nucleon. With the pion isospin vector field oriented in the shape of a hedgehog space, the model is readily solvable, and is thus sometimes called the hedgehog model. The hedgehog model is able to predict low energy parameters, such as the nucleon mass, radius and axial coupling constant, to approximately 30% of experimental values.
MIT-тің торба үлгісі
MIT қап модельінде кванттық хромодинамика арқылы өзара әрекеттесетін кварктер мен глюондар, барлық түсті кванттық өрістерге вакуумның гипотетикалық қысымына қарсы кварктер мен глюондардың тудыратын қысымды теңестіру арқылы анықталатын кеңістік аймағына шектеледі. Модельдің ең қарапайым жуықтауы үш өзара әрекеттеспейтін кваркты шар тәрізді қуысқа шектейді, мұнда шекаралық шарт ретінде кварк векторлық тогы шекарада нөлге тең болады. Кварктердің өзара әрекеттеспеуі асимптотикалық бостандық тұжырымымен негізделеді, ал қатаң шекаралық шарт кварктердің қамалуымен негізделеді. Математикалық тұрғыдан алғанда, модель радар қуысымен шамалас келеді, Дирак теңдеуінің шешімдері Максвелл теңдеулерінің шешімдерін, ал жоғалатын векторлық ток шекаралық шарты радар қуысының өткізгіш металл қабырғаларын бейнелейді. Егер қаптың радиусы нуклондардың радиусына тең болса, қап моделі нуклон массасын нақты массаның 30% шегінде болжайды. Негізгі қап модельінде пион арқылы таралатын өзара әрекеттесу қарастырылмаса да, ол P матрицасын қолдана отырып, 6 кварк қаптың s-арна механизмі арқылы нуклон-нуклон күштерін өте жақсы сипаттайды.
The MIT bag model confines quarks and gluons interacting through quantum chromodynamics to a region of space determined by balancing the pressure exerted by the quarks and gluons against a hypothetical pressure exerted by the vacuum on all colored quantum fields. The simplest approximation to the model confines three non interacting quarks to a spherical cavity, with the boundary condition that the quark vector current vanish on the boundary. The non interacting treatment of the quarks is justified by appealing to the idea of asymptotic freedom, whereas the hard boundary condition is justified by quark confinement. Mathematically, the model vaguely resembles that of a radar cavity, with solutions to the Dirac equation standing in for solutions to the Maxwell equations, and the vanishing vector current boundary condition standing for the conducting metal walls of the radar cavity. If the radius of the bag is set to the radius of the nucleon, the bag model predicts a nucleon mass that is within 30% of the actual mass. Although the basic bag model does not provide a pion mediated interaction, it describes excellently the nucleon–nucleon forces through the 6 quark bag s channel mechanism using the P matrix.
Хиральдық қап үлгісі
Хиральдық қапшық моделі МТИ қапшық моделі мен скирмиондық модельді біріктіреді. Бұл модельде скирмионның ортасынан тесік соғылып, оның орнына қап үлгісі қойылады. Шекаралық шарт қап шегі арқылы осьтік векторлық токтың үздіксіздігі талабымен қамтамасыз етіледі. Өте қызығы, скирмионға соғылған тесіктің топологиялық орау санының (бариондық санының) жоғалған бөлігі дәл қаптың ішіндегі кварк өрістерінің нөлдік емес вакуумдық күтілім мәнімен (немесе спектралдық асимметриясымен) толықтырылады. 2017 жылға дейін топология мен оператор спектрі арасындағы бұл ерекше айырбас Хильберт кеңістіктерінің математикалық теориясында және олардың геометриямен байланысында ешқандай негіздемесі немесе түсіндірмесі болған жоқ. Хиральдық қаптың тағы бірнеше ерекше қасиеттері бар: ол 5–10% дейін төмен энергиялы нуклон қасиеттеріне жақсырақ сәйкес келеді, және бұл сәйкестік хиральдық қап радиусынан тәуелсіз, радиус нуклон радиусынан кіші болған жағдайда. Радиустың мұндай тәуелсіздігі Льюис Кэрроллдың «Чешир мысығының» күлкісіне ғана көрінетіндей болып жоғалуынан кейін, «Чешир мысығы» қағидасы деп аталады. КВД теңдеулерінің алғашқы принциптер бойынша шешімі кварк-мезон сипаттамаларының ұқсас екіжақтылығын көрсетеді деп күтілуде.
The chiral bag model merges the MIT bag model and the skyrmion model. In this model, a hole is punched out of the middle of the skyrmion and replaced with a bag model. The boundary condition is provided by the requirement of continuity of the axial vector current across the bag boundary. Very curiously, the missing part of the topological winding number (the baryon number) of the hole punched into the skyrmion is exactly made up by the non zero vacuum expectation value (or spectral asymmetry) of the quark fields inside the bag. as of 2017, this remarkable trade off between topology and the spectrum of an operator does not have any grounding or explanation in the mathematical theory of Hilbert spaces and their relationship to geometry. Several other properties of the chiral bag are notable: It provides a better fit to the low energy nucleon properties, to within 5–10%, and these are almost completely independent of the chiral bag radius, as long as the radius is less than the nucleon radius. This independence of radius is referred to as the Cheshire Cat principle, after the fading of Lewis Carroll's Cheshire Cat to just its smile. It is expected that a first principles solution of the equations of QCD will demonstrate a similar duality of quark–meson descriptions.