В физике и химии нуклон — это либо протон , либо нейтрон , рассматриваемый в своей роли компонента атомного ядра . Число нуклонов в ядре определяет массовое число атома (нуклонное число) .
До 1960-х годов нуклоны считались элементарными частицами , не состоящими из более мелких частей. Теперь их понимают как составные частицы , состоящие из трех кварков, связанных вместе сильным взаимодействием . Взаимодействие между двумя или более нуклонами называется межнуклонным взаимодействием или ядерной силой , которая в конечном итоге также вызвана сильным взаимодействием. (До открытия кварков термин «сильное взаимодействие» относился только к межнуклонным взаимодействиям.)
Нуклоны находятся на границе, где физика элементарных частиц и ядерная физика пересекаются. Физика элементарных частиц, в частности квантовая хромодинамика , предоставляет фундаментальные уравнения, которые описывают свойства кварков и сильного взаимодействия. Эти уравнения количественно описывают, как кварки могут связываться вместе 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 ядерной физике , 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, являющихся одновременно фермионами , адронами и барионами . Протон несет положительный чистый заряд , а нейтрон несет нулевой чистый 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 изоспиновый дублет ( I = 1/2 ). В изоспиновом пространстве нейтроны могут быть преобразованы в протоны и наоборот с помощью симметрий SU(2) . На эти нуклоны в равной степени действует сильное взаимодействие, которое инвариантно относительно вращения в изоспиновом пространстве. Согласно теореме Нётер , изоспин сохраняется относительно сильного взаимодействия. [1] : 129–130
Протоны и нейтроны наиболее известны в своей роли нуклонов, т. е. как компоненты атомных ядер, но они также существуют как свободные частицы. Свободные нейтроны нестабильны, с периодом полураспада около 13 минут, но они имеют важные приложения (см. нейтронное излучение и рассеяние нейтронов ). Протоны, не связанные с другими нуклонами, являются ядрами атомов водорода, когда связаны с электроном или — если не связаны ни с чем — являются ионами или космическими лучами.
И протон, и нейтрон являются составными частицами , то есть каждый из них состоит из более мелких частей, а именно из трех кварков каждый; хотя когда-то считалось, что это так, ни один из них не является элементарной частицей . Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка , в то время как нейтрон имеет один верхний кварк и два нижних кварка. Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием или, что эквивалентно, глюонами , которые опосредуют сильное взаимодействие на уровне кварков.
Верхний 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. [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 одинаковы: для протона это1,6726 × 10 −27 кг (938,27 МэВ/ с2 ), тогда как для нейтрона это1,6749 × 10 −27 кг (939,57 МэВ/ c 2 ); нейтрон примерно на 0,13% тяжелее. Сходство в массе можно грубо объяснить небольшой разницей в массах верхних и нижних кварков, составляющих нуклоны. Однако подробное описание остается нерешенной проблемой в физике элементарных частиц. [1] : 135–136
Спин нуклона равен 1/2 , что означает, что они являются фермионами и, как и электроны , подчиняются принципу исключения Паули : не более одного нуклона, например, в атомном ядре, может занимать одно и то же квантовое состояние .
Изоспин и спин квантовых чисел 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), и ее чистый ядерный спин равен нулю. В более крупных ядрах составляющие нуклоны, по исключению 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.
И протон, и нейтрон имеют магнитные моменты , хотя магнитные моменты нуклона являются аномальными и были неожиданными, когда они были открыты в 1930-х годах. Магнитный момент протона, символ μ p , равен2,79 мкН , тогда как, если бы протон был элементарной частицей Дирака , он должен был бы иметь магнитный момент1,0 μ N . Здесь единицей магнитных моментов является ядерный магнетон , символ μ N , единица измерения атомного масштаба . Магнитный момент нейтрона равен μ n =−1,91 μ N , тогда как, поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, он не должен иметь магнитного момента. Значение магнитного момента нейтрона отрицательно, поскольку направление момента противоположно спину 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−
распадаться (тип радиоактивного распада ) путем превращения в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино . Эта реакция может происходить, поскольку масса нейтрона немного больше массы протона. (См. статью Neutron для более подробного обсуждения распада нейтрона.) Сам по себе протон считается стабильным, или, по крайней мере, его время жизни слишком велико для измерения. Это важное обсуждение в физике элементарных частиц (см. Распад протона ).
Внутри ядра, с другой стороны, объединенные протоны и нейтроны (нуклоны) могут быть стабильными или нестабильными в зависимости от нуклида или ядерного вида. 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 электронов . 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 они взаимодействуют таким же образом. (Обычно считается, что это совершенно верно из-за симметрии CPT . Если и есть разница, она слишком мала, чтобы измерить ее во всех экспериментах на сегодняшний день.) В частности, антинуклоны могут связываться в «антиядро». На данный момент ученые создали ядра антидейтерия [4] [5] и антигелия-3 [6] .
^a Массы протона и нейтрона известны с гораздо большей точностью в дальтонах (Да), чем в МэВ/ с2 из -за способа их определения. Используемый коэффициент преобразования равен 1 Да = 931,494 028 (23 ) МэВ/ с2 .
^b Не менее 10 35 лет. См. распад протона .
^c Для свободных нейтронов ; в большинстве распространенных ядер нейтроны стабильны.
Массы их античастиц предполагаются идентичными, и ни один эксперимент не опроверг это до сих пор. 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 составляет порядка(9 ± 6) × 10−5 МэВ/ c2 . [ PDG 2]
Нуклонные резонансы — это возбужденные состояния нуклонных частиц, часто соответствующие одному из кварков, имеющему перевернутое спиновое состояние или с другим орбитальным угловым моментом при распаде частицы. В эту таблицу включены только резонансы с 3- или 4-звездочным рейтингом в Particle Data Group (PDG). Из-за их необычайно короткого времени жизни многие свойства этих частиц все еще изучаются.
Формат символа задается как N( m ) L IJ , где m — приблизительная масса частицы, L — орбитальный угловой момент (в спектроскопической нотации ) пары нуклон-мезон, образующейся при ее распаде, а I и J — изоспин и полный угловой момент частицы соответственно. Поскольку нуклоны определяются как имеющие 1/2 изоспин, первое число всегда будет 1, а второе число всегда будет нечетным. При обсуждении нуклонных резонансов иногда N опускается и порядок меняется на обратный, в форме L IJ ( m ); например, протон может быть обозначен как "N(939) S 11 " или "S 11 (939)".
В таблице ниже перечислены только базовые резонансы; каждая отдельная запись представляет 4 бариона : 2 частицы нуклонных резонансов и их 2 античастицы. Каждый резонанс существует в форме с положительным электрическим зарядом ( Q ), с кварковым составом
ты
ты
г
как протон, и нейтральная форма, с кварковым составом
ты
г
г
как нейтрон, а также соответствующие античастицы с антикварковым составом
ты
ты
г
и
ты
г
г
соответственно. Поскольку они не содержат странных , очаровательных , нижних или верхних кварков, эти частицы не обладают странностью и т. д.
В таблице перечислены только резонансы с изоспином = 1/2 . Для резонансов с изоспином = 3/2 , см. статью о дельта-барионах .
† Нуклон P 11 (939) представляет собой возбужденное состояние нормального протона или нейтрона. Такая частица может быть стабильной в атомном ядре, например, в литии-6 . [7]
В кварковой модели с ароматом SU(2) два нуклона являются частью дублета основного состояния. Протон имеет кварковое содержание uud , а нейтрон — udd . В аромате SU(3) они являются частью октета основного состояния ( 8 ) спина — 1/2 барионы , известные как Восьмеричный путь . Другие члены этого октета — гипероны странный изотриплет
Σ+
,
Σ0
,
Σ−
,Λи странный изодублет
Ξ0
,
Ξ−
. Можно расширить этот мультиплет в аромате SU(4) (с включением очарованного кварка ) до 20 -плета основного состояния или до аромата SU(6) (с включением верхнего и нижнего кварков ) до 56 -плета основного состояния .
В статье об изоспине дано явное выражение для волновых функций нуклонов в терминах собственных состояний ароматов кварков.
Хотя известно, что нуклон состоит из трех кварков, по состоянию на 2006 год [обновлять]неизвестно, как решить уравнения движения для квантовой хромодинамики . Таким образом, изучение низкоэнергетических свойств нуклона выполняется с помощью моделей. Единственный доступный подход из первых принципов — попытаться решить уравнения КХД численно, используя решеточную КХД . Это требует сложных алгоритмов и очень мощных суперкомпьютеров . 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 намоток отождествляется с локальной плотностью числа барионов нуклона. С векторным полем изоспина пиона, ориентированным в форме пространства-ежа , модель легко решаема и поэтому иногда называется моделью -ежа . Модель-еж способна предсказывать низкоэнергетические параметры, такие как масса нуклона, радиус и аксиальная константа связи, примерно до 30% экспериментальных значений.
Модель мешка MIT [8] [9] [10] ограничивает кварки и глюоны, взаимодействующие посредством квантовой хромодинамики , областью пространства, определяемой уравновешиванием давления, оказываемого кварками и глюонами, против гипотетического давления, оказываемого вакуумом на все цветные квантовые поля. Простейшее приближение к модели ограничивает три невзаимодействующих кварка сферической полостью с граничным условием , что векторный ток кварка равен нулю на границе. Невзаимодействующая трактовка кварков оправдывается обращением к идее асимптотической свободы , тогда как условие жесткой границы оправдывается ограничением кварков .
Математически эта модель смутно напоминает модель радарной полости , где решения уравнения Дирака заменяют решения уравнений Максвелла , а граничное условие исчезающего векторного тока заменяет проводящие металлические стенки радарной полости. Если радиус мешка задан равным радиусу нуклона, модель мешка предсказывает массу нуклона, которая находится в пределах 30% от фактической массы.
Хотя базовая модель мешка не обеспечивает пионно-опосредованного взаимодействия, она превосходно 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 отверстие пробивается из середины скирмиона и заменяется моделью мешка. Граничное условие обеспечивается требованием непрерывности аксиального векторного тока через границу мешка.
Весьма любопытно, что недостающая часть топологического числа обмотки (барионного числа) дыры, пробитой в скирмионе, в точности составлена из ненулевого вакуумного ожидаемого значения (или спектральной асимметрии ) 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 .
Несколько других свойств хирального мешка примечательны: он обеспечивает лучшее соответствие свойствам нуклонов с низкой энергией, с точностью 5–10%, и они почти полностью независимы от радиуса хирального мешка, пока радиус меньше радиуса нуклона. Эта независимость радиуса называется принципом Чеширского кота [15] после того, как Чеширский кот Льюиса Кэрролла исчез , оставив только улыбку. Ожидается, что решение уравнений КХД из первых принципов продемонстрирует аналогичную дуальность описаний кварк- мезон .