Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для концептуального автомобиля Ford см. Ford Nucleon .
Атомное ядро показан здесь в виде компактного пучка двух типов нуклонов, протонов (красный) и нейтронов (синий). На этом рисунке протоны и нейтроны показаны отдельно, что, например, является общепринятым представлением в химии . Но в реальном ядре, как понимается современной ядерной физикой , нуклоны частично делокализованы и организуются в соответствии с законами квантовой хромодинамики .

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 , а 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 сложными для прямого решения (см. Решеточную КХД ). Вместо этого нуклиды изучаются в рамках ядерной физики., который 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 того же нуклона, и вместе они образуют изоспиновый дублет ( I = 1 ⁄ 2 ). В изоспиновом пространстве нейтроны могут превращаться в протоны с помощью симметрии SU (2) и наоборот. На эти нуклоны одинаково действует сильное взаимодействие, инвариантное относительно вращения в изоспиновом пространстве. СогласноПо теореме Нётер изоспин сохраняется по отношению к сильному взаимодействию. [1] : 129–130

Обзор [ править ]

Основные статьи: Протон и нейтрон

Свойства [ править ]

Кварковый состав нуклона
Нейтрон (
п
):
ты

d

d
Антипротон (
п
):
ты

ты

d
Антинейтрон (
п
):
ты

d

d
Протон (p) состоит из двух верхних кварков (u) и одного нижнего кварка (d): uud. Нейтрон (n) имеет один верхний кварк (u) и два нижних кварка (d): udd. Антипротон (
п
) имеет два антикварка вверх (
ты
) и один антикварк (
d
):
ты

ты

d
. Антинейтрон (
п
) имеет один антикварк вверху (
ты
) и два антикварка вниз (
d
):
ты

d

d
. Цветовой заряд ( назначение цветов ) отдельных кварков является произвольным, но все три цвета (красный, зеленый, синий) должен присутствовать.

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  e , а у даун-кварка есть заряд -+1 ⁄ 3  e , поэтому суммарные электрические заряды протона и нейтрона равны + e и 0 соответственно. [a] 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 или938,27  МэВ / c 2 , а нейтрон1,6749 × 10 −27  кг или939,57  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. [1] : 135–136

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 на ядерные оболочки, аналогичные электронным оболочкам, известным из химии.

Магнитный момент протона, обозначается М р , является2,79 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 [ править ]

Нейтрон в свободном состоянии - нестабильная частица с периодом полураспада около десяти минут. Он подвергаетсяβ-распад (тип радиоактивного распада ), превращаясь 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) черезβ+распад или захват электрона . А внутри других нуклидов и протоны, и нейтроны стабильны и не меняют формы.

Антинуклоны [ править ]

Основные статьи: антинейтрон , антипротон и антивещество

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 [2] [3] и антигелия-3 [4] .

Таблицы подробных свойств [ править ]

Нуклоны [ править ]

Нуклоны ( I = 1 ⁄ 2 ; S = C = B = 0)

Имя частицы		Символ
Содержание кварка		Масса ( МэВ / c 2 )Масса ( u ) [a]Я 3J PQ ( e )Магнитный моментСреднее время жизни ( лет )Обычно распадается на
протон [PDG 1]
п
 /
п+
 /
N+
ты
ты
d		938,272 013 ± 0,000 0231,007 276 466 77 ± 0,000 000 000 10+ 1 ⁄ 21 ⁄ 2 ++12,792 847 356 ± 0,000 000 023Стабильный [b]Ненаблюдаемый
нейтрон [PDG 2]
п
 /
п0
 /
N0

ты

d

d
939,565 346 ± 0,000 0231,008 664 915 97 ± 0,000 000 000 43-+1 ⁄ 21 ⁄ 2 +0-1,913 042 73 ± 0,000 000 45(8,857 ± 0,008) × 10 +2 [c]п + е- + νе
антипротон
п
 /
п-
 /
N-

ты

ты

d
938,272 013 ± 0,000 0231,007 276 466 77 ± 0,000 000 000 10-+1 ⁄ 21 ⁄ 2 +−1-2,793 ± 0,006Стабильный [b]Ненаблюдаемый
антинейтрон
п
 /
п0
 /
N0

ты

d

d
939,485 ± 0,0511,008 664 915 97 ± 0,000 000 000 43++1 ⁄ 21 ⁄ 2 +0?(8,857 ± 0,008) × 10 +2 [c]п + е+ + νе

^ a Массы протона и нейтрона известны с гораздо большей точностью ватомных единицах массы(u), чем в МэВ / c2, из-за относительно плохо известного значенияэлементарного 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, чем2 × 10 −9 [PDG 1], а разница между массами нейтрона и антинейтрона составляет порядка(9 ± 6) × 10 −5 МэВ / c 2 . [PDG 2]

Тесты протон-антипротонной CPT-инвариантности
Контрольная работаФормулаРезультат PDG [PDG 1]
Масса<2 × 10 −9
Отношение заряда к массе0,999 999 999 91 ± 0,000 000 000 09
Отношение заряда к массе(−9 ± 9) × 10 −11
Заряжать<2 × 10 −9
Электронный заряд<1 × 10 −21
Магнитный момент(−0,1 ± 2,1) × 10 −3

^ b Минимум 1035лет. Смотритераспад протона.

^ c Длясвободных нейтронов; в большинстве обычных ядер нейтроны стабильны.

Нуклонные резонансы [ править ]

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 оценкой 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, а также соответствующие античастицы с антикварковым составом
ты

ты

d
 а также
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 .

Нуклонные резонансы с I = 1 ⁄ 2
СимволJ PСредняя масса PDG
( МэВ / c 2 )		Полная ширина
(МэВ / c 2 )		Полюсное положение
(действительная часть)		Положение полюса
(-2 × мнимая часть)		Обычные распады
(Γ i / Γ> 50%)
N (939) P 11
[PDG 3] †		1 ⁄ 2 +939††††
N (1440) P 11
[PDG 4]
он же резонанс Ропера		1 ⁄ 2 +1440
(1420–1470)		300
(200–450)		1365
(1350–1380)		190
(160–220)		N + π
N (1520) D 13
[PDG 5]		3 ⁄ 2 -1520
(1515–1525)		115
(100–125)		1510
(1505–1515)		110
(105–120)		N + π
N (1535) S 11
[PDG 6]		1 ⁄ 2 -1535
(1525–1545)		150
(125–175)		1510
(1490–1530)		170
(90–250)		N + π или же
N + η
N (1650) S 11
[PDG 7]		1 ⁄ 2 -1650
(1645–1670)		165
(145–185)		1665
(1640–1670)		165
(150–180)		N + π
N (1675) D 15
[PDG 8]		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
[PDG 9]		5 ⁄ 2 +1685
(1680–1690)		130
(120–140)		1675
(1665–1680)		120
(110–135)		N + π
N (1700) D 13
[PDG 10]		3 ⁄ 2 -1700
(1650–1750)		100
(50–150)		1680
(1630–1730)		100
(50–150)		N + π + π
N (1710) P 11
[PDG 11]		1 ⁄ 2 +1710
(1680–1740)		100
(50–250)		1720
(1670–1770)		230
(80–380)		N + π + π
N (1720) P 13
[PDG 12]		3 ⁄ 2 +1720
(1700–1750)		200
(150–300)		1675
(1660–1690)		115–275N + π + π или же
N + ρ
N (2190) G 17
[PDG 13]		7 ⁄ 2 -2190
(2100–2200)		500
(300–700)		2075
(2050–2100)		450
(400–520)		N + π (10–20%)
N (2220) H 19
[PDG 14]		9 ⁄ 2 +2250
(2200–2300)		400
(350–500)		2170
(2130–2200)		480
(400–560)		N + π (10–20%)
N (2250) G 19
[PDG 15]		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 . [5]

Классификация кварковой модели [ править ]

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+, Σ0, Σ-, то Λ и странный изодублет Ξ0, 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 нуклонов через собственные состояния ароматов кварков.

Модели [ править ]

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 решеточную КХД . Это требует сложных алгоритмов и очень мощных суперкомпьютеров . Однако существует также несколько аналитических моделей:

Модели Skyrmion [ править ]

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 может предсказывать низкоэнергетические параметры, такие как масса нуклона, радиус иосевая константа связи примерно до 30% от экспериментальных значений.

Модель сумки MIT [ править ]

Модель мешка MIT [6] [7] [8] ограничивает три невзаимодействующих кварка сферической полостью с граничным условием, что вектор кваркового тока обращается в нуль на границе. Невзаимодействие кварков оправдывается 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. [9] [10]

Модель хирального мешка [ править ]

Модель хирального мешка [11] [12] объединяет модель мешка MIT и модель Скирмиона . 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 (пока радиус меньше радиус нуклона). Эта независимость радиуса упоминается как принцип Чеширского кота , [13] после того , как угасание Льюиса Кэрролла «s Чеширского Кота , чтобы только его улыбка. Ожидается, что решение уравнений КХД из первых принципов продемонстрирует аналогичную двойственность кварк-пионных описаний.

См. Также [ править ]

  • Адроны
  • Электрослабое взаимодействие

Сноски [ править ]

  1. ^ Полученные коэффициенты получаются путем суммирования зарядов компоненты:
          Е Q = 2 / 3 + 2 / 3 + ( -+1 ⁄ 3 ) = 3 ⁄ 3 = +1и ∑ Q = 2 ⁄ 3 + ( -

          +1 ⁄ 3 ) + ( -+1 ⁄ 3 ) = 0 ⁄ 3 = 0.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Гриффитс, Дэвид Дж. (2008). Введение в элементарные частицы (2-е исправленное издание). ВИЛИ-ВЧ. ISBN 978-3-527-40601-2.
  2. ^ Massam, T; Muller, Th .; Righini, B .; Schneegans, M .; Зичичи, А. (1965). «Экспериментальное наблюдение образования антидейтрона». Il Nuovo Cimento . 39 (1): 10–14. Bibcode : 1965NCimS..39 ... 10M . DOI : 10.1007 / BF02814251 .
  3. ^ Дорфан, Д. Э; Eades, J .; Ледерман, Л. М.; Lee, W .; Тинг, CC (июнь 1965 г.). «Наблюдение за антидейтронами». Phys. Rev. Lett . 14 (24): 1003–1006. Bibcode : 1965PhRvL..14.1003D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.14.1003 .
  4. ^ Р. Арсенеску; и другие. (2003). «Производство антигелия-3 при столкновении свинца со свинцом при 158 А ГэВ / c » . Новый журнал физики . 5 (1): 1. Bibcode : 2003NJPh .... 5 .... 1A . DOI : 10.1088 / 1367-2630 / 5/1/301 .
  5. ^ https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Lithium-6
  6. ^ Chodos et al. «Новая расширенная модель адронов», Phys. Ред. D 9 3471 (1974) | https://doi.org/10.1103/PhysRevD.9.3471
  7. ^ Chodos et al. "Барионная структура в теории мешков", Phys. Ред. D 10 2599 (1974) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.10.2599
  8. ^ ДеГранд и др. «Массы и другие параметры легких адронов», Phys. Ред. D 12 2060 (1975) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.12.2060
  9. ^ Jaffe, RL ; Низкий, FE (1979). «Связь между собственными состояниями кварковой модели и низкоэнергетическим рассеянием». Phys. Rev. D . 19 (7): 2105. Bibcode : 1979PhRvD..19.2105J . DOI : 10.1103 / PhysRevD.19.2105 .
  10. ^ Yu; Симонов, А. (1981). «Модель творожного мешка и матрица Яффе-Лоу P». Физика Письма Б . 107 (1-2): 1. Bibcode : 1981PhLB..107 .... 1S . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (81) 91133-3 .
  11. ^ Браун, Джеральд Э .; Ро, Маннке (март 1979 г.). «Сумочка». Физика Письма Б . 82 (2): 177–180. Полномочный код : 1979PhLB ... 82..177B . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (79) 90729-9 .
  12. ^ Вепстас, Л .; Джексон, AD; Гольдхабер, А.С. (1984). «Двухфазные модели барионов и киральный эффект Казимира». Физика Письма Б . 140 (5–6): 280–284. Bibcode : 1984PhLB..140..280V . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (84) 90753-6 .
  13. ^ Вепстас, Л .; Джексон, AD (1990). «Обоснование хирального мешка». Отчеты по физике . 187 (3): 109–143. Bibcode : 1990PhR ... 187..109V . DOI : 10.1016 / 0370-1573 (90) 90056-8 .

Списки частиц [ править ]

  1. ^ a b c Списки частиц -п
  2. ^ a b Списки частиц -п
  3. ^ Списки частиц - Примечание о N и дельта-резонансах
  4. ^ Списки частиц - N (1440)
  5. ^ Списки частиц - N (1520)
  6. ^ Списки частиц - N (1535)
  7. ^ Списки частиц - N (1650)
  8. ^ Списки частиц - N (1675)
  9. ^ Списки частиц - N (1680)
  10. ^ Списки частиц - N (1700)
  11. ^ Списки частиц - N (1710)
  12. ^ Списки частиц - N (1720)
  13. ^ Списки частиц - N (2190)
  14. ^ Списки частиц - N (2220)
  15. ^ Списки частиц - N (2250)

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Томас, AW; Weise, W. (2001). Строение нуклона . Берлин, Германия: Wiley-WCH. ISBN 3-527-40297-7.
  • Браун, GE; Джексон, AD (1976). Нуклон-нуклонное взаимодействие . Издательство Северной Голландии . ISBN 978-0-7204-0335-0.
  • Nakamura, N .; Группа данных по частицам ; и другие. (2011). «Обзор физики элементарных частиц» . Журнал Physics G . 37 (7): 075021. Bibcode : 2010JPhG ... 37g5021N . DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7A / 075021 .