В физике и химии нуклон — это либо протон , либо нейтрон , рассматриваемый в роли компонента атомного ядра . Число нуклонов в ядре определяет массовое число атома (число нуклонов) .
До 1960-х годов нуклоны считались элементарными частицами , а не состоящими из более мелких частей. Теперь известно, что они представляют собой составные частицы , состоящие из трех кварков , связанных сильным взаимодействием . Взаимодействие между двумя или более нуклонами называется межнуклонным взаимодействием или ядерной силой , которое также в конечном итоге обусловлено сильным взаимодействием. (До открытия кварков термин «сильное взаимодействие» относился только к межнуклонным взаимодействиям.)
Нуклоны находятся на границе, где пересекаются физика элементарных частиц и ядерная физика . Физика элементарных частиц, особенно 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 нуклонов собираются в атомное ядро ( нуклид ), эти фундаментальные уравнения становятся слишком трудными для решения напрямую (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 описывать свойства нуклидов, например, подвергается ли конкретный нуклид радиоактивному распаду .
Протон и нейтрон находятся в схеме категорий, одновременно являясь фермионами , адронами и барионами . Протон несет положительный суммарный заряд , а нейтрон — нулевой суммарный заряд; масса протона всего лишь примерно на 0,13% меньше массы нейтрона. Таким образом, их можно рассматривать как два состояния одного и того же нуклона, и вместе они образуют дублет изоспина ( I =1/2). В изоспиновом пространстве нейтроны могут превращаться в протоны и наоборот с помощью симметрии SU (2) . На эти нуклоны одинаково действует сильное взаимодействие, инвариантное относительно вращения в изоспиновом пространстве. Согласно теореме Нётер , изоспин сохраняется по отношению к сильному взаимодействию. [1] : 129–130
Протоны и нейтроны наиболее известны в роли нуклонов, т. е. как компоненты атомных ядер, но они существуют и как свободные частицы. Свободные нейтроны нестабильны, с периодом полураспада около 13 минут, но у них есть важные применения (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 являются составными частицами , то есть каждая состоит из меньших частей, а именно из трех кварков каждая; хотя когда-то так считалось, ни то, ни другое не является элементарной частицей . Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка , а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних кварков. Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием или, что то же самое, глюонами , которые обеспечивают сильное взаимодействие на уровне кварков.
Ап-кварк имеет электрический заряд ++2/3 e , а нижний кварк имеет заряд —+1/3 e , поэтому суммарные электрические заряды протона и нейтрона равны + e и 0 соответственно. [а] 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 одинаковы: для протона это1,6726 × 10-27 кг ( _938,27 МэВ/ с 2 ), а для нейтрона1,6749 × 10-27 кг ( _939,57 МэВ/ с 2 ); нейтрон примерно на 0,13% тяжелее. Сходство масс можно грубо объяснить небольшой разницей в массах верхних и нижних кварков, составляющих нуклоны. Однако детальное описание остается нерешенной проблемой физики элементарных частиц. [1] : 135–136.
Спин нуклона равен1/2, что означает, что они являются фермионами и, как и электроны , подчиняются принципу Паули : не более одного нуклона, например, в атомном ядре, может занимать одно и то же квантовое состояние .
Квантовые числа изоспина и спина нуклона имеют по два состояния каждое, что в итоге дает четыре комбинации . Альфа- частица состоит из четырех нуклонов, занимающих все четыре комбинации, а именно, она имеет два протона (имеющих противоположный спин ) и два нейтрона (также имеющих противоположный спин), а ее чистый ядерный спин равен нулю. В более крупных ядрах нуклоны, составляющие нуклоны, из-за исключения Паули, вынуждены совершать относительное движение , что также может способствовать вращению ядра через орбитальное квантовое число . Они разрослись в ядерные оболочки , аналогичные известным в химии электронным оболочкам .
И протон, и нейтрон обладают магнитными моментами , хотя магнитные моменты нуклонов аномальны и были неожиданными, когда они были открыты в 1930-х годах. Магнитный момент протона, обозначенный µ p , равен2,79 мкН , тогда как, если бы протон был элементарной частицей Дирака , он должен был бы иметь магнитный момент1,0 мкН . _ Здесь единицей магнитных моментов является ядерный магнетон , символ µ N , единица измерения атомного масштаба . Магнитный момент нейтрона равен μ n =−1,91 мкН , тогда как, поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, он не должен иметь магнитного момента . Значение магнитного момента нейтрона отрицательно, поскольку направление момента противоположно вращению нейтрона. Магнитные моменты нуклонов возникают из кварковой субструктуры нуклонов. [2] [3] Магнитный момент протона используется для сканирования ЯМР/МРТ .
Нейтрон в свободном состоянии — нестабильная частица с периодом полураспада около десяти минут. Он подвергается
β−
распад (вид радиоактивного распада ) путем превращения в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино . Эта реакция может произойти потому, что масса нейтрона немного больше массы протона. ( Подробнее о распаде нейтрона см. в статье «Нейтрон ».) Сам по себе протон считается стабильным, или, по крайней мере, его время жизни слишком велико, чтобы его можно было измерить. Это важная дискуссия 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 вида ядра. Внутри некоторых нуклидов нейтрон может превратиться 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 форму.
Оба нуклона имеют соответствующие античастицы : антипротон и антинейтрон , которые имеют ту же массу и противоположный заряд, что и протон и нейтрон соответственно, и взаимодействуют одинаково. (Обычно считается, что это именно так из-за симметрии CPT . Если разница и есть, то она слишком мала, чтобы ее можно было измерить во всех экспериментах на сегодняшний день.) В частности, антинуклоны могут связываться в «антинуклеус». На данный момент учёным удалось создать ядра антидейтерия [4] [5] и антигелия-3 [6] .
^a Массы протона и нейтрона известны с гораздо большей точностью в дальтонах (Да), чем в МэВ/ с 2 из-за способа их определения. Используемый коэффициент пересчета составляет 1 Да = 931,494028 ( 23 ) МэВ/ c 2 .
^ б Не менее 10 35 лет. См. распад протона .
^ c Для свободных нейтронов ; в большинстве распространенных ядер нейтроны стабильны.
Массы их античастиц считаются одинаковыми, и ни один эксперимент до сих пор это не опроверг. Текущие эксперименты показывают, что любая относительная разница между массами протона и антипротона должна быть меньше, чем2 × 10 −9 [PDG 1] , а разница между массами нейтрона и антинейтрона порядка(9 ± 6) × 10 −5 МэВ/ c 2 . [ПДГ 2]
Нуклонные резонансы — это возбужденные состояния нуклонных частиц, часто соответствующие одному из кварков, имеющему перевернутое спиновое состояние или имеющему другой орбитальный угловой момент при распаде частицы. В эту таблицу включены только резонансы с рейтингом 3 или 4 звезды по версии Particle Data Group (PDG). Из-за чрезвычайно короткого времени жизни многие свойства этих частиц все еще находятся на стадии изучения.
Формат символа задается как N( m ) L IJ , где m — приблизительная масса частицы, L — орбитальный угловой момент (в спектроскопических обозначениях ) пары нуклон-мезон, образующейся при ее распаде, а I и J — изоспин и полный угловой момент частицы соответственно. Поскольку нуклоны определяются как имеющие1/2isospin, первое число всегда будет 1, а второе число всегда будет нечетным. При обсуждении нуклонных резонансов иногда N опускается и порядок меняется на обратный, в виде L IJ ( m ); например, протон можно обозначить как «N(939)S11 » или «S11 ( 939)».
В таблице ниже указан только базовый резонанс; каждая отдельная запись представляет 4 бариона : 2 частицы нуклонного резонанса и 2 их античастицы. Каждый резонанс существует в форме с положительным электрическим зарядом ( Q ), с кварковым составом
ты
ты
д
как протон, и нейтральную форму с кварковым составом
ты
д
д
типа нейтрона, а также соответствующие античастицы антикваркового состава
ты
ты
д
и
ты
д
д
соответственно. Поскольку они не содержат странных , очаровательных , нижних или верхних кварков, эти частицы не обладают странностью и т. д.
В таблице приведены только резонансы с изоспином =1/2. Для резонансов с изоспином =3/2см. статью о дельта-барионах .
† Нуклон P 11 (939) представляет собой возбужденное состояние нормального протона или нейтрона. Такая частица может быть стабильной, находясь в атомном ядре, например, в литии-6 . [7]
В модели кварков с ароматом SU(2) два нуклона являются частью дублета основного состояния. В протоне содержится кварк uud , а в нейтроне — udd . В версии SU(3) они являются частью октета основного состояния ( 8 ) спина -1/2 барионы , известный как Восьмеричный путь . Остальные члены этого октета — странный изотриплет гиперонов .
Σ+
,
Σ0
,
Σ−
,Λи странный изодуплет
Ξ0
,
Ξ−
. Можно расширить этот мультиплет в аромате SU(4) (с включением очаровательного кварка ) до основного 20 -плета или в аромате SU(6) (с включением верхнего и нижнего кварков ) до основного состояния. -состояние 56 -плет.
В статье об изоспине дается явное выражение волновых функций нуклона через собственные состояния аромата кварка.
Хотя по состоянию на 2006 год известно, что нуклон состоит из трех кварков, [обновлять]неизвестно, как решать уравнения движения квантовой хромодинамики . Таким образом, исследование низкоэнергетических свойств нуклона осуществляется с помощью моделей. Единственный доступный подход, основанный на первых принципах, - это попытаться решить уравнения КХД численно, используя решеточную КХД . Для этого нужны сложные алгоритмы и очень мощные суперкомпьютеры . Однако существует также несколько аналитических моделей:
Скирмион моделирует нуклон как топологический солитон в нелинейном пионном поле SU(2 ) . Топологическая устойчивость скирмиона интерпретируется как сохранение барионного числа , то есть нераспад нуклона. Локальная топологическая плотность числа витков отождествляется с локальной барионной плотностью числа нуклонов. Поскольку векторное поле изоспина пиона ориентировано 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 осевой связи, примерно с точностью до 30% экспериментальных значений.
Модель сумки MIT [8] [9] [10] ограничивает кварки и глюоны, взаимодействующие посредством квантовой хромодинамики , областью пространства, определяемой путем уравновешивания давления, оказываемого кварками и глюонами, с гипотетическим давлением, оказываемым вакуумом на все цветные квантовые поля. . Простейшее приближение модели ограничивает три невзаимодействующих кварка сферической полостью с граничным условием , согласно которому векторный ток кварков исчезает на границе. Невзаимодействующая трактовка кварков оправдывается обращением к идее асимптотической свободы , тогда как условие жесткой границы оправдывается конфайнментом кварков .
Математически модель отдаленно напоминает модель полости радара , где решения уравнения Дирака заменяют решения уравнений Максвелла , а граничное условие исчезающего векторного тока соответствует проводящим металлическим стенкам полости радара. Если радиус мешка установлен равным радиусу нуклона, модель мешка предсказывает массу нуклона, которая находится в пределах 30% от фактической массы.
Хотя базовая модель мешка не обеспечивает пион-опосредованного взаимодействия, она прекрасно описывает нуклон-нуклонные силы через механизм s -канала 6-кваркового мешка с использованием P -матрицы. [11] [12]
Модель хирального мешка [13] [14] объединяет модель мешка MIT и модель скирмиона . В этой модели в середине скирмиона пробивается отверстие и заменяется моделью сумки. Граничное условие обеспечивается требованием непрерывности аксиально-векторного тока через границу мешка.
Очень любопытно, что недостающая часть топологического числа обмотки (барионного числа) дыры, пробитой в скирмион, в точности восполняется ненулевым вакуумным математическим ожиданием (или спектральной асимметрией ) кварковых полей внутри мешка. По состоянию на 2017 год [обновлять]этот замечательный компромисс между топологией и спектром оператора не имеет никакого обоснования или объяснения в математической теории гильбертовых пространств и их связи с геометрией .
Примечательны 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 чем радиус нуклона. Эта независимость радиуса называется принципом Чеширского кота [15] после того , как Чеширский кот Льюиса Кэрролла превратился в просто улыбку. Ожидается, что решение уравнений КХД из первых принципов продемонстрирует аналогичную двойственность кварк- мезонных описаний.