Нуклон: Протон и нейтрон – составные части атомного ядра.

Введение

Частица, составляющая атомное ядро (протон или нейтрон).

В физике и химии нуклон — это либо протон, либо нейтрон, рассматриваемые в их роли как компонента атомного ядра. Количество нуклеонов в ядре определяет массовое число атома (число нуклонов). До 1960-х годов нуклоны считались элементарными частицами, не состоящими из более мелких составляющих. Сейчас известно, что они являются составными частицами, состоящими из трех кварков, связанных между собой сильным взаимодействием. Взаимодействие между двумя или более нуклонами называется межнуклеонным взаимодействием или ядерной силой, которое также в конечном итоге обусловлено сильным взаимодействием. (До открытия кварков термин «сильное взаимодействие» относился исключительно к межнуклеонным взаимодействиям.) Нуклоны находятся на границе между физикой частиц и ядерной физикой. Физика частиц, в частности квантовая хромодинамика, предоставляет фундаментальные уравнения, описывающие свойства кварков и сильного взаимодействия. Эти уравнения количественно описывают, как кварки могут объединяться в протоны и нейтроны (и все остальные адроны). Однако, когда несколько нуклеонов собираются в атомное ядро (нуклид), эти фундаментальные уравнения становятся слишком сложными для непосредственного решения (см. решётчатую КХД). Вместо этого нуклиды изучаются в рамках ядерной физики, которая исследует нуклоны и их взаимодействия, используя приближения и модели, такие как модель ядерной оболочки. Эти модели успешно описывают свойства нуклидов, например, подвержен ли конкретный нуклид радиоактивному распаду. Протон и нейтрон входят в систему категорий, являясь одновременно фермионами, адронами и барионами. Протон несет положительный электрический заряд, а нейтрон — нулевой; масса протона лишь примерно на 0,13% меньше массы нейтрона. Таким образом, их можно рассматривать как два состояния одного и того же нуклона, вместе образующих изоспиновый дублет. В изоспиновом пространстве нейтроны могут быть преобразованы в протоны и наоборот посредством симметрий SU(2). На эти нуклоны одинаково воздействует сильное взаимодействие, которое инвариантно относительно вращений в изоспиновом пространстве. Согласно теореме Нётер, изоспин сохраняется относительно сильного взаимодействия.

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.

Свойства

Протоны и нейтроны наиболее известны в своей роли как нуклоны, то есть как компоненты атомных ядер, но они также существуют как свободные частицы. Свободные нейтроны нестабильны, с периодом полураспада около 13 минут, но они имеют важные применения (см. нейтронное излучение и рассеяние нейтронов). Протоны, не связанные с другими нуклонами, являются ядрами атомов водорода при соединении с электроном, а если ни с чем не связаны – ионами или космическими лучами. И протон, и нейтрон – это составные частицы, то есть каждый из них состоит из более мелких частей, а именно из трех кварков; хотя ранее считалось иначе, ни одна из них не является элементарной частицей. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон – из одного верхнего кварка и двух нижних кварков. Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием, или, эквивалентно, глюонами, которые опосредуют сильное взаимодействие на уровне кварков. Верхний кварк имеет электрический заряд +e, а нижний кварк – -e, поэтому суммарные электрические заряды протона и нейтрона равны +e и 0 соответственно. Таким образом, нейтрон имеет заряд 0 (ноль) и, следовательно, электрически нейтрален; в самом деле, термин «нейтрон» происходит от того факта, что нейтрон электрически нейтрален. Массы протона и нейтрона близки: для протона она составляет 1,6726 (938,27), а для нейтрона – 1,6749 (939,57); нейтрон примерно на 0,13% тяжелее. Близость масс можно приблизительно объяснить незначительной разницей в массах верхних и нижних кварков, составляющих нуклоны. Однако детальное описание остаётся нерешённой проблемой в физике частиц. Магнитный момент протона используется в методах ЯМР/МРТ-сканирования.

Стабильность

Нейтрон в свободном состоянии — нестабильная частица с периодом полураспада около десяти минут. Он претерпевает бета-распад (один из видов радиоактивного распада), превращаясь в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино. Эта реакция возможна, поскольку масса нейтрона незначительно превышает массу протона. (Более подробное обсуждение распада нейтрона см. в статье «Нейтрон».) Считается, что протон сам по себе стабилен, или, по крайней мере, его время жизни слишком велико для измерения. Это важная тема в физике частиц (см. «Распад протона»). Внутри ядра, напротив, объединенные протоны и нейтроны (нуклоны) могут быть стабильными или нестабильными в зависимости от нуклида, то есть ядерного вида. В некоторых нуклидах нейтрон может превращаться в протон (с образованием других частиц), как описано выше; в других нуклидах может происходить обратный процесс, когда протон превращается в нейтрон (с образованием других частиц) посредством бета-распада или захвата электрона. А в некоторых других нуклидах и протоны, и нейтроны стабильны и не изменяют своего состояния.

Антинуклеоны

Оба нуклона имеют соответствующие античастицы: антипротон и антинейтрон, которые имеют ту же массу и противоположный заряд по сравнению с протоном и нейтроном соответственно, и взаимодействуют таким же образом. (Считается, что это в точности верно благодаря симметрии CPT. Если различие и существует, то оно слишком мало для обнаружения во всех проведенных на сегодняшний день экспериментах.) В частности, антинуклеоны могут объединяться в "антинукло". На данный момент ученым удалось создать ядра антидейтерия и антигелия-3.

Классификация кварковой модели

В кварковой модели с SU(2) вкусом, два нуклона образуют дублет основного состояния. Протон имеет кварковый состав uud, а нейтрон – udd. В SU(3) вкусе они входят в состав октета (8) спиновых барионов, известного как Восьмикратный путь. Другими членами этого октета являются странные гипероны, изотриплет , , , и странный изодвублет , . Этот мультиплет можно расширить до 20-плетного состояния в SU(4) вкусе (с включением c-кварка) или до 56-плетного состояния в SU(6) вкусе (с включением t- и b-кварков). Статья об изоспине содержит явное выражение для волновых функций нуклонов в терминах собственных состояний кварковых вкусов.

Модели

Хотя известно, что нуклон состоит из трех кварков, по состоянию на 2006 год не было найдено способа решить уравнения движения квантовой хромодинамики. Таким образом, изучение низкоэнергетических свойств нуклона проводится с использованием моделей. Единственным подходом, основанным на фундаментальных принципах, является попытка численного решения уравнений КХД с помощью решётчатой КХД. Это требует сложных алгоритмов и очень мощных суперкомпьютеров. Однако существует также несколько аналитических моделей:

Модели Скирмиона

Скирмион моделирует нуклон как топологический солитон в нелинейном SU(2) пионном поле. Топологическая стабильность скирмиона интерпретируется как сохранение барионного числа, то есть устойчивость нуклона против распада. Локальная плотность топологического числа обмотки отождествляется с локальной плотностью барионного числа нуклона. При ориентации изоспинного векторного поля пиона в форме пространства ежа, модель легко поддается решению и поэтому иногда называется моделью ежа. Модель ежа способна предсказывать низкоэнергетические параметры, такие как масса нуклона, радиус и осевая константа связи, с точностью до примерно 30% от экспериментальных значений.

Модель мешка MIT

Модель мешка MIT ограничивает кварки и глюоны, взаимодействующие посредством квантовой хромодинамики, областью пространства, определяемой балансом между давлением, создаваемым кварками и глюонами, и гипотетическим давлением, оказываемым вакуумом на все цветные квантовые поля. Простейшее приближение модели заключает три невзаимодействующих кварка в сферическую полость с граничным условием, при котором векторный ток кварков обращается в нуль на границе. Обоснование невзаимодействующего рассмотрения кварков заключается в идее асимптотической свободы, а жесткое граничное условие – в ограничении кварков. Математически модель отдаленно напоминает радарную полость, где решения уравнения Дирака соответствуют решениям уравнений Максвелла, а граничное условие нулевого векторного тока – проводящим металлическим стенкам радарной полости. Если радиус мешка приравнять к радиусу нуклона, модель мешка предсказывает массу нуклона, которая отличается от фактической не более чем на 30%. Хотя базовая модель мешка не предусматривает взаимодействие, опосредованное пионами, она отлично описывает силы нуклон-нуклон посредством s-канального механизма 6-кваркового мешка, используя P-матрицу.

Модель киральной сумки

Модель хиральной сумки объединяет модель сумки MIT и модель скирмиона. В этой модели из середины скирмиона вырезается отверстие, которое заменяется моделью сумки. Граничное условие обеспечивается требованием непрерывности осевого векторного тока на границе сумки. Любопытно, что недостающая часть топологического числа обмотки (барионного числа) вырезанного в скирмионе отверстия точно компенсируется ненулевым вакуумным ожидаемым значением (или спектральной асимметрией) кварковых полей внутри сумки. По состоянию на 2017 год этот замечательный обмен между топологией и спектром оператора не имеет обоснования или объяснения в математической теории пространств Гильберта и их связи с геометрией. Другие свойства хиральной сумки также примечательны: она обеспечивает лучшую аппроксимацию низкоэнергетических свойств нуклона, с точностью до 5–10%, и эти свойства почти полностью не зависят от радиуса хиральной сумки, пока радиус меньше радиуса нуклона. Эта независимость от радиуса называется принципом Чеширского кота, по аналогии с исчезновением Чеширского кота Льюиса Кэрролла, оставляющего лишь свою улыбку. Ожидается, что решение уравнений КХД из первых принципов продемонстрирует аналогичную двойственность кварк-мезонных описаний.