Частинки з яких складаються протони та нейтрони. Елементарні частки

Нейтрон (елементарна частка)

Ця стаття була написана Володимиром Горуновичем для сайту "Викизнання", поміщена на цей сайт з метою захисту інформації від вандалів, а потім доповнена на цьому сайті.

Польова теорія елементарних частинок, діючи в рамках НАУКИ, спирається на перевірений фізичний фундамент:

• Класичну електродинаміку,
• Квантову механіку,
• Закони збереження – фундаментальні закони фізики.

Використовувати не існуючі в природі елементарні частинки, вигадувати фундаментальні взаємодії, що не існують у природі, або підміняти існуючі в природі взаємодії казковими, ігнорувати закони природи, займаючись математичними маніпуляціями над ними (створюючи видимість науки) - це доля КАЗОК, що видаються за науку. У результаті фізика скочувалась у світ математичних казок.

1 Радіус нейтрону
2 Магнітний момент нейтрону
3 Електричне поле нейтрону
4 Маса спокою нейтрону
5 Час життя нейтрону
6 Нова фізика: Нейтрон (елементарна частка) - підсумок

Нейтрон – елементарна часткаквантове число L=3/2 (спін = 1/2) – група баріонів, підгрупа протона, електричний заряд +0 (систематизація за польовою теорією елементарних частинок).

Відповідно до польової теорії елементарних частинок (теорії - побудованої на науковому фундаменті і єдиної, що отримала правильний спектр всіх елементарних частинок), нейтрон складається з поляризованого змінного електромагнітного поля, що обертається, з постійною складовою. Всі голослівні твердження Стандартної моделі про те, що нейтрон нібито складається з кварків, не мають нічого спільного з дійсністю. - Фізика експериментально довела, що нейтрон має електромагнітні поля (нульова величина сумарного електричного заряду, ще означає відсутність дипольного електричного поля, що опосередковано змушена була визнати навіть Стандартна модель, ввівши електричні заряди в елементів структури нейтрона), і ще гравітаційним полем. Про те, що елементарні частинки не просто мають - а складаються з електромагнітних полів, фізика геніально здогадалася ще 100 років тому, але побудувати теорію ніяк не вдавалося до 2010 року. Тепер у 2015 році з'явилася ще й теорія гравітації елементарних частинок, яка встановила електромагнітну природу гравітації та здобула рівняння гравітаційного поля елементарних частинок, відмінні від рівнянь гравітації, на підставі яких була побудована не одна математична казка у фізиці.

Структура електромагнітного поля нейтрону (E-постійне електричне поле, H-постійне магнітне поле, жовтим кольором відзначено змінне електромагнітне поле).

Енергетичний баланс (відсоток від усієї внутрішньої енергії):

• постійне електричне поле (E) – 0,18%,
• постійне магнітне поле (H) – 4,04%,
• змінне електромагнітне поле – 95,78%.

Незважаючи на нульовий електричний заряд, нейтрон має дипольне електричне поле.

1 Радіус нейтрону

Польова теорія елементарних частинок визначає радіус (r) елементарної частинки як відстань від центру до точки, в якій досягається максимум щільності маси.

Для нейтрону це буде 3,3518 ∙10 -16 м. До цього треба додати ще товщину шару електромагнітного поля 1,0978 ∙10 -16 м.

Тоді вийде 4,4496 ∙10 -16 м. Таким чином, зовнішня межа нейтрону повинна знаходитися від центру на відстані більше 4,4496 ∙10 -16 м. Вийшла величина майже рівна радіусу протона і це не дивно. Радіус елементарної частки визначається квантовим числом L та величиною маси спокою. У обох частинок однаковий набір квантових чисел L і M L, а маси спокою незначно відрізняються.

2 Магнітний момент нейтрону

На противагу квантовій теорії польова теорія елементарних частинок стверджує, що магнітні поля елементарних частинок не створюються спиновим обертанням електричних зарядів, а існують одночасно з постійним електричним полем як постійна складова електромагнітного поля. Тому магнітні поля є в усіх елементарних частинок з квантовим числом L>0.

Польова теорія елементарних частинок не вважає магнітний момент нейтрона аномальним - його величина визначається набором квантових чисел тією мірою, як квантова механіка працює в елементарній частинці.

Так магнітний момент нейтрону створюється струмом:

• (0) з магнітним моментом -1 eħ/m 0n c

3 Електричне поле нейтрону

Незважаючи на нульовий електричний заряд, згідно з польовою теорією елементарних частинок у нейтрона має бути постійне електричне поле. У електромагнітного поля, з якого складається нейтрон, є постійна складова, а отже, у нейтрону повинні бути постійне магнітне поле та постійне електричне поле. Оскільки електричний заряд дорівнює нулю, то постійне електричне поле буде дипольним. Тобто у нейтрона має бути постійне електричне поле аналогічне полю двох розподілених паралельних електричних зарядів, рівних за величиною та протилежного знака. На великих відстанях електричне поле нейтрону буде практично непомітним через взаємну компенсацію полів обох знаків заряду. Але на відстанях порядку радіусу нейтрону це поле істотно впливатиме на взаємодії з іншими елементарними частинками близьких за розмірами. Це насамперед стосується взаємодії в атомних ядрах нейтрону з протоном і нейтрону з нейтроном. Для нейтрон - нейтронної взаємодії це будуть сили відштовхування за однакового напрямку спинів і сили тяжіння при протилежному напрямку спинів. Для нейтрон - протонної взаємодії знак сили залежить тільки від орієнтації спинів, а й від зміщення між площинами обертання електромагнітних полів нейтрона і протона.
Отже, у нейтрона має бути дипольне електричне поле двох розподілених паралельних симетричних кільцевих електричних зарядів (+0.75e та -0.75e), середнього радіусу , розташованих на відстані

Електричний дипольний момент нейтрону (відповідно до польової теорії елементарних частинок) дорівнює:

де ħ - стала Планка, L - головне квантове число в польовій теорії елементарних частинок, e - елементарний електричний заряд, m 0 - маса спокою нейтрона, m 0~ - маса спокою нейтрона, укладена в змінному електромагнітному полі, c - швидкість світла, P - Вектор електричного дипольного моменту (перпендикулярний площині нейтрону, проходить через центр частинки і направлений у бік позитивного електричного заряду), s - середня відстань між зарядами, r e - електричний радіус елементарної частинки.

Як бачите, електричні заряди близькі за величиною до зарядів передбачуваних кварків (+2/3e=+0.666e та -2/3e=-0.666e) у нейтроні, але на відміну від кварків, електромагнітні поля в природі існують, та аналогічною структурою постійного електричного поля має будь-яка нейтральна елементарна частка, незалежно від величини спина та... .

Потенціал електричного дипольного поля нейтрону в точці (А) (у ближній зоні 10s > r > s приблизно), у системі СІ дорівнює:

де θ – кут між вектором дипольного моменту Pі напрямом на точку спостереження А, r 0 - нормувальний параметр рівний r 0 =0.8568Lħ/(m 0~ c), ε 0 - електрична постійна, r - відстань від осі (обертання змінного електромагнітного поля) елементарної частинки до точки спостереження А, h - відстань від площини частинки (що проходить її центр) до точки спостереження А, h e - середня висота розташування електричного заряду в нейтральній елементарній частинці (рівна 0.5s), |...| - модуль числа, P n – величина вектора P n. (У системі СГС відсутній множник.)

Напруженість E електричного дипольного поля нейтрону (у ближній зоні 10s > r > s приблизно), у системі СІ дорівнює:

де n=r/|r| - одиничний вектор із центру диполя у напрямку точки спостереження (А), точкою (∙) позначено скалярне твір, жирним шрифтом виділено вектор. (У системі СГС відсутній множник.)

Компоненти напруженості електричного дипольного поля нейтрону (у ближній зоні 10s>r>s приблизно) поздовжня (| |) (вздовж радіус-вектора, проведеного від диполя в дану точку) та поперечна (_|_) у системі СІ:

Де θ – кут між напрямком вектора дипольного моменту P n і радіус-вектором у точку спостереження (у системі СГС відсутній множник).

Третя компонента напруженості електричного поля - ортогональна площина, в якій лежать вектор дипольного моменту. P n нейтрону і радіус-вектор, - завжди дорівнює нулю.

Потенційна енергія U взаємодії електричного дипольного поля нейтрону (n) з електричним дипольним полем іншої нейтральної елементарної частинки (2) у точці (А) у дальній зоні (r>>s), у системі СІ дорівнює:

де θ n2 – кут між векторами дипольних електричних моментів P n та P 2 θ n - кут між вектором дипольного електричного моменту P n та вектором r, θ 2 - кут між вектором дипольного електричного моменту P 2 та вектором r, r- Вектор з центру дипольного електричного моменту p n центр дипольного електричного моменту p 2 (в точку спостереження А). (У системі СГС відсутній множник)

Нормувальний параметр r 0 вводиться з метою зменшення відхилення значення E від розрахованого за допомогою класичної електродинаміки та інтегрального обчислення в ближній зоні. Нормування відбувається в точці, що лежить у площині паралельної площині нейтрону, віддаленої від центру нейтрону на відстань (у площині частинки) і зі зміщенням по висоті на h=ħ/2m 0~ c де m 0~ - величина маси укладеної в змінному електромагнітному полі нейтрону, що покоїться (для нейтрону m 0~ = 0.95784 m. Для кожного рівняння параметр r 0 розраховується самостійно. Як приблизне значення можна взяти польовий радіус:

З усього вищесказаного випливає, що електричне дипольне поле нейтрона (про існування якого в природі, фізика 20 століття і не здогадувалася), згідно із законами класичної електродинаміки, взаємодіятиме із зарядженими елементарними частинками.

4 Маса спокою нейтрону

Відповідно до класичної електродинаміки та формули Ейнштейна, маса спокою елементарних частинок з квантовим числом L>0, у тому числі і нейтрона, визначається як еквівалент енергії їх електромагнітних полів:

де певний інтеграл береться по всьому електромагнітному полю елементарної частинки, E – напруженість електричного поля, H – напруженість магнітного поля. Тут враховуються всі компоненти електромагнітного поля: постійне електричне поле (яке нейтрон має), постійне магнітне поле, змінне електромагнітне поле. Ця маленька, але дуже ємна для фізики формула, на підставі якої отримано рівняння гравітаційного поля елементарних частинок, відправить в брухт не одну казкову "теорію" - тому її зненавидять деякі їхні автори.

Як випливає з наведеної формули, величина маси спокою нейтрону залежить від умов, у яких нейтрон знаходиться. Так помістивши нейтрон у постійне зовнішнє електричне поле (наприклад, атомне ядро), ми вплинемо на E 2 , що відіб'ється на масі нейтрону та його стабільності. Аналогічна ситуація виникне при поміщенні нейтрону у постійне магнітне поле. Тому деякі властивості нейтрона всередині атомного ядра, відрізняються від тих же властивостей вільного нейтрона у вакуумі, далеко від полів.

5 Час життя нейтрону

Встановлений фізикою час життя 880 секунд відповідає вільному нейтрону.

Польова теорія елементарних частинок стверджує, що життя елементарної частки залежить від умов, у яких вона. Помістивши нейтрон у зовнішнє поле (наприклад, магнітне), ми змінюємо енергію, що міститься в його електромагнітному полі. Можна вибрати напрямок зовнішнього поля так, щоб внутрішня енергія нейтрона зменшилася. В результаті при розпаді нейтрону виділиться менше енергії, що ускладнить розпад і збільшить час життя елементарної частки. Можна підібрати таку величину напруженості зовнішнього поля, що розпад нейтрону вимагатиме додаткової енергії і, отже, нейтрон стане стабільним. Саме це спостерігається в атомних ядрах (наприклад, дейтерію), в них магнітне поле сусідніх протонів не допускає розпаду нейтронів ядра. Проте при внесенні в ядро ​​додаткової енергії розпади нейтронів знову можуть стати можливими.

6 Нова фізика: Нейтрон (елементарна частка) - підсумок

Стандартна модель (опущена в цій статті, але яка в 20 столітті претендувала на істину) стверджує, що нейтрон є пов'язаним станом трьох кварків: одного "верхнього" (u) та двох "нижніх" (d) кварків (передбачувана кваркова структура нейтрона: udd ). Оскільки наявність кварків у природі експериментально не доведено, електричний заряд, що дорівнює за величиною заряду гіпотетичних кварків у природі не виявлено, а є лише непрямі свідчення, які можна інтерпретувати як наявність слідів кварків у деяких взаємодіях елементарних частинок, але можна й інтерпретувати інакше, то твердження Стандартної моделі, що нейтрон має кваркову структуру залишається лише бездоказовим припущенням. Будь-яка модель, у тому числі і Стандартна, має право припустити будь-яку структуру елементарних частинок включаючи нейтрону, але поки на прискорювачах не будуть виявлені відповідні частинки, з яких нібито складається нейтрон, затвердження моделі слід вважати не доведеним.

Стандартна модель, описуючи нейтрон, вводить не знайдені в природі кварки з глюонами (глюони теж ніхто не знайшов), що не існують у природі поля та взаємодії та вступає в суперечність із законом збереження енергії;

Польова теорія елементарних частинок (Нова фізика) описує нейтрон виходячи з існуючих у природі полів та взаємодій у рамках, що діють у природі законів – у цьому й полягає НАУКА.

Володимир Горунович

Атом - це найменша частка хімічного елемента, що зберігає його хімічні властивості. Атом складається з ядра, що має позитивний електричний заряд, та негативно заряджених електронів. Заряд ядра будь-якого хімічного елемента дорівнює добутку Z на e де Z - порядковий номер даного елемента в періодичній системі хімічних елементів, е - величина елементарного електричного заряду.

Електрон- це дрібна частка речовини з негативним електричним зарядом е=1,6·10 -19 кулона, прийнятим за елементарний електричний заряд. Електрони, обертаючись навколо ядра, розташовуються на електронних оболонках, L, М і т. д. К - оболонка, найближча до ядра. Розмір атома визначається розміром його електронної оболонки. Атом може втрачати електрони та ставати позитивним іоном або приєднувати електрони та ставати негативним іоном. Заряд іона визначає кількість втрачених чи приєднаних електронів. Процес перетворення нейтрального атома на заряджений іон називається іонізацією.

Атомне ядро(Центральна частина атома) складається з елементарних ядерних частинок - протонів і нейтронів. Радіус ядра приблизно в сто тисяч разів менший за радіус атома. Щільність атомного ядра дуже велика. Протони- це стабільні елементарні частинки, мають одиничний позитивний електричний заряд і масу, в 1836 разів більшу, ніж маса електрона. Протон є ядро ​​атома найлегшого елемента - водню. Число протонів в ядрі дорівнює Z. Нейтрон- це нейтральна (яка не має електричного заряду) елементарна частка з масою, дуже близькою до маси протона. Оскільки маса ядра складається з маси протонів і нейтронів, число нейтронів в ядрі атома дорівнює А - Z, де А - масове число даного ізотопу (див. ). Протон і нейтрон, що входять до складу ядра, називаються нуклонами. У ядрі нуклони пов'язані особливими ядерними силами.

В атомному ядрі є величезний запас енергії, що вивільняється при ядерних реакціях. Ядерні реакції виникають при взаємодії атомних ядер з елементарними частинками або ядрами інших елементів. Внаслідок ядерних реакцій утворюються нові ядра. Наприклад, нейтрон може переходити у протон. І тут з ядра викидається бета-частка, т. е. електрон.

Перехід у ядрі протона в нейтрон може здійснюватися двома шляхами: або з ядра випускається частка з масою, що дорівнює масі електрона, але з позитивним зарядом, звана позитрон (позитронний розпад), або ядро ​​захоплює один з електронів з найближчої до нього К-оболонки (К -захоплення).

Іноді ядро, що утворилося, має надлишок енергії (перебуває в збудженому стані) і, переходячи в нормальний стан, виділяє зайву енергію у вигляді електромагнітного випромінювання з дуже малою довжиною хвилі - . Енергія, що виділяється при ядерних реакціях, практично використовують у різних галузях промисловості.

Атом (грец. atomos - неподільний) найменша частка хімічного елемента, що має його хімічні властивості. Кожен елемент складається з атомів певного виду. До складу атома входять ядро, що несе позитивний електричний заряд, і негативно заряджені електрони, що утворюють його електронні оболонки. Величина електричного заряду ядра дорівнює Z-e, де е - елементарний електричний заряд, що дорівнює за величиною заряду електрона (4,8·10 -10 ел.-ст. од.), і Z - атомний номер даного елемента в періодичній системі хімічних елементів (см .). Так як неіонізований атом нейтральний, то число електронів, що входять до нього, також дорівнює Z. До складу ядра (див. Ядро атомне) входять нуклони, елементарні частинки з масою приблизно в 1840 разів більшої маси електрона (рівною 9,1 · 10 - 28 г), протони (див.), позитивно заряджені, і не мають заряду нейтрони (див.). Число нуклонів в ядрі називається масовим числом і позначається буквою А. Кількість протонів в ядрі, що дорівнює Z, визначає число електронів, що входять в атом, будова електронних оболонок і хімічні властивості атома. Кількість нейтронів у ядрі дорівнює А-Z. Ізотопами називаються різновиди одного й того самого елемента, атоми яких відрізняються один від одного масовим числом А, але мають однакові Z. Таким чином, в ядрах атомів різних ізотопів одного елемента є різне число нейтронів при однаковій кількості протонів. При позначенні ізотопів масове число записується А зверху від символу елемента, а атомний номер внизу; наприклад, ізотопи кисню позначаються:

Розміри атома визначаються розмірами електронних оболонок і становлять для Z величину порядку 10 -8 см. Оскільки маса всіх електронів атома в кілька тисяч разів менше маси ядра, маса атома пропорційна масовому числу. Відносна маса атома даного ізотопу визначається по відношенню до маси атома ізотопу вуглецю З 12 прийнятої за 12 одиниць, і називається ізотопною масою. Вона виявляється близькою до масового числа відповідного ізотопу. Відносна вага атома хімічного елемента є середнє (з урахуванням відносної поширеності ізотопів даного елемента) значення ізотопної ваги і називається атомною вагою (масою).

Атом є мікроскопічною системою, та її будову та властивості можна пояснити лише з допомогою квантової теорії, створеної переважно у 20-ті роки 20 століття і призначеної для описи явищ атомного масштабу. Досліди показали, що мікрочастинки - електрони, протони, атоми і т. д., крім корпускулярних, мають хвильові властивості, що виявляються в дифракції та інтерференції. У квантовій теорії для опису стану мікрооб'єктів використовується деяке хвильове поле, яке характеризується хвильовою функцією (Ψ-функція). Ця функція визначає ймовірність можливих станів мікрооб'єкта, тобто характеризує потенційні можливості прояву тих чи інших його властивостей. Закон зміни функції Ψ у просторі та часі (рівняння Шредінгера), що дозволяє знайти цю функцію, грає в квантовій теорії ту саму роль, що у класичній механіці закони руху Ньютона. Рішення рівняння Шредінгера у багатьох випадках призводить до дискретних можливих станів системи. Приміром, у разі атома виходить ряд хвильових функцій для електронів, відповідних різним (квантованим) значенням енергії. Система енергетичних рівнів атома, розрахована методами квантової теорії, отримала блискуче підтвердження спектроскопії. Перехід атома з основного стану, що відповідає нижчому енергетичному рівню Е 0 в будь-який зі збуджених станів E i відбувається при поглинанні певної порції енергії Е i - Е 0 . Збуджений атом перетворюється на менш збуджений або основний стан зазвичай з випромінюванням фотона. При цьому енергія фотона hv дорівнює різниці енергій атома в двох станах: hv = E i - Е k де h - Постійна Планка (6,62 · 10 -27 ерг · сек), v - частота світла.

Крім атомних спектрів, квантова теорія дозволила пояснити інші властивості атомів. Зокрема, було пояснено валентність, природу хімічного зв'язку та будову молекул, створено теорію періодичної системи елементів.

Багатьом зі школи добре відомо, що всі речовини складалися з атомів. Атоми у свою чергу складаються з протонів і нейтронів, що утворюють ядро ​​атоми та електронів, розташованих на деякій відстані від ядра. Багато хто також чув, що світло теж складається з частинок – фотонів. Однак у цьому світ частинок не обмежується. На сьогоднішній день відомо понад 400 різних елементарних частинок. Спробуємо зрозуміти, чим елементарні частинки відрізняються одна від одної.

Існує безліч параметрів, якими можна відрізнити елементарні частинки один від одного:

• Маса.
• Електричний заряд.
• Час життя. Багато елементарні частинки мають кінцевий час життя після якого вони розпадаються.
• Спін. Його можна, дуже приблизно вважати як обертальний момент.

Ще кілька параметрів або як їх прийнято називати в науці квантових чисел. Ці параметри не завжди мають зрозуміле фізичне значення, але вони потрібні для того, щоб відрізняти одні частинки від інших. Всі ці додаткові параметри введені як деякі величини, що зберігаються у взаємодії.

Масу мають майже всі частинки, крім фотони і нейтрино (за останніми даними нейтрино мають масу, але настільки малу, що часто її вважають банкрутом). Без масових частинок можуть існувати тільки в русі. Маса у всіх частинок різна. Мінімальною масою, крім нейтрино, має електрон. Частинки, які називаються мезонами, мають масу в 300-400 разів більшу масу електрона, протон і нейтрон майже в 2000 разів важчі за електрон. Зараз уже відкриті частинки, які майже у 100 разів важчі за протон. Маса, (або її енергетичний еквівалент за формулою Ейнштейна:

зберігається у всіх взаємодіях елементарних частинок.

Електричний заряд мають не всі частинки, а значить що не всі частинки здатні брати участь в електромагнітній взаємодії. У всіх вільно існуючих частинок електричний заряд кратний заряду електрона. Крім вільно існуючих частинок існують також частинки, що перебувають лише у пов'язаному стані, про них ми скажемо трохи пізніше.

Спин, як і інші квантові числа, у різних частинок різні і характеризують їх унікальність. Деякі квантові числа зберігаються в одних взаємодіях, деякі в інших. Всі ці квантові числа визначають те, які частинки взаємодіють із якими і як.

Час життя також дуже важлива характеристика частки, і її ми розглянемо докладніше. Почнемо із зауваження. Як ми вже сказали на початку статті – все, що нас оточує, складається з атомів (електронів, протонів і нейтронів) і світла (фотонів). А де тоді ще сотні різних видів елементарних частинок. Відповідь проста - всюди навколо нас, але ми не помічаємо з двох причин.

Перша з них - майже всі інші частинки живуть дуже мало, приблизно 10 мінус 10 ступеня секунд і менше, і тому не утворюють таких структур як атоми, кристалічні решітки і т.п. Друга причина стосується нейтрино, ці частинки хоч і не розпадаються, але вони схильні лише до слабкої та гравітаційної взаємодії. Це означає, що ці частинки взаємодіють на стільки незначно, що виявити майже неможливо.

Уявимо наочно у чому виражається те, наскільки частка добре взаємодіємо. Наприклад, потік електронів можна зупинити досить тонким листом сталі, близько кількох міліметрів. Це станеться тому, що електрони відразу почнуть взаємодіяти з частинками листа сталі, різко змінюватимуть свій напрямок, випромінюватиме фотони, і таким чином досить швидко втратить енергію. З потоком нейтрино все негаразд, вони майже без взаємодій можуть пройти наскрізь Земної Кулі. І тому виявити їх дуже важко.

Отже, більшість частинок живуть дуже короткий час, після якого вона розпадаються. Розпади частинок - реакції, що найчастіше зустрічаються. В результаті розпаду одна частка розпадається на кілька інших меншої маси, а ті в свою чергу розпадаються далі. Усі розпади підпорядковуються певним правилам – законам збереження. Так, наприклад, в результаті розпаду повинен зберігатися електричний заряд, маса, спин та ще ряд квантових чисел. Деякі квантові числа під час розпаду можуть змінюватися, але також підкоряючись певним правилам. Саме правила розпаду говорять нам про те, що електрон та протон це стабільні частинки. Вони не можуть розпадаються підкоряючись правилам розпаду, і тому саме ними закінчуються ланцюжки розпаду.

Тут хочеться сказати кілька слів про нейтрон. Вільний нейтрон теж розпадається, на протон та електрон приблизно за 15 хвилин. Однак, коли нейтрон знаходиться в атомному ядрі, це не відбувається. Цей факт можна пояснити у різний спосіб. Наприклад так, коли в ядрі атома з'являється електрон і зайвий протон від нейтрону, що розпався, то тут же відбувається зворотна реакція - один з протонів поглинає електрон і перетворюється на нейтрон. Така картина називається динамічною рівновагою. Вона спостерігалася у всесвіті на ранній стадії її розвитку невдовзі після великого вибуху.

Окрім реакцій розпаду є ще реакції розсіювання – коли дві або більше частинок вступають у взаємодію одночасно, і в результаті виходить одна або декілька інших частинок. Також є реакції поглинання, коли із двох або більше частинок виходить одна. Всі реакції відбуваються в результаті сильної слабкої або електромагнітної взаємодії. Реакції, що йдуть за рахунок сильної взаємодії, йдуть найшвидше, час такої реакції може досягати 10 мінус 20 секунд. Швидкість реакцій що йдуть з допомогою електромагнітного взаємодії нижче, тут час то, можливо порядку 10 мінус 8 секунди. Для реакцій слабкої взаємодії час може досягати десятків секунд, а іноді й роки.

На завершення розповіді про частинки розповімо про кварки. Кварки - це елементарні частинки, що мають електричний заряд кратний третини заряду електрона і які не можуть існувати у вільному стані. Їх Взаємодія влаштовано так, що вони можуть жити лише у складі чогось. Наприклад, комбінація з трьох кварків певного типу утворюють протон. Інша комбінація дає нейтрон. Усього відомо 6 кварків. Їхні різні комбінації дають нам різні частинки, і хоча далеко не всі комбінації кварків дозволені фізичними законами, частинок, складених з кварків досить багато.

Тут може виникнути питання, як можна протон називати елементарним, якщо він складається з кварків. Дуже просто – протон елементарний, тому що його неможливо розщепити на складові – кварки. Усі частинки, які беруть участь у сильній взаємодії складаються з кварків, і є елементарними.

Розуміння взаємодій елементарних частинок дуже важливе розуміння устрою всесвіту. Все, що відбувається з макро тілами є результатом взаємодії частинок. Саме взаємодією частинок описуються зростання дерев на землі, реакції в надрах зірок, випромінювання нейтронних зірок та багато іншого.

НЕЙТРОН(n) (від латів. neuter - ні той, ні інший) - елементарна частка з нульовим електрич. зарядом і масою, трохи більшої маси протона. Поряд із протоном під загальним назв. нуклон входить до складу атомних ядер. H. має спин 1/2 і, отже, підкоряється Фермі - Дірака статистиці(є ферміоном). Належить до сімейства адра-нов;має баріонним числом B = 1, тобто входить до групи баріонів.

Відкритий в 1932 Дж. Чедвіком (J. Chadwick), який показав, що жорстке проникаюче випромінювання, що виникає при бомбардуванні ядер берилію a-частинками, складається з електрично нейтральних частинок з масою приблизно рівної протонної. У 1932 Д. Д. Іваненко та В. Гей-зенберг (W. Heisenberg) висунули гіпотезу про те, що атомні ядра складаються з протонів і H. На відміну від зарядів. частинок, H. легко проникає в ядра за будь-якої енергії і з великою ймовірністю викликає ядерні реакціїзахоплення (n, g), (n, a), (n, p), якщо баланс енергії реакції позитивний. Імовірність екзотерміч. збільшується при уповільненні H. обернено пропорц. його швидкість. Збільшення ймовірності реакцій захоплення H. при їх уповільненні у водневмісних середовищах було виявлено Е. Фермі (E. Fermi) зі співробітниками в 1934. Здатність H. викликати поділ важких ядер, відкрита О. Ганом (О. Hahn) та Ф. Штрасманом (F .Strassman) в 1938 (див. Поділ ядер), послужила основою створення ядерної зброї і . Своєрідність взаємодії з речовиною повільних H., що мають дебройлівську довжину хвилі порядку атомних відстаней (резонансні ефекти, дифракція тощо), є основою широкого використання нейтронних пучків у фізиці твердого тіла. (Класифікацію H. за енергіями - швидкі, повільні, теплові, холодні, ультрахолодні - див. ст. Нейтронна фізика.)

У вільному стані H. нестабільний – відчуває B-розпад; n p + е - + v e; його час життя t n = = 898(14) з, гранична енергія спектра електронів 782 кеВ (див. Бета-розпад нейтрону). У зв'язаному стані у складі стабільних ядер H. стабільний (за експериментальними оцінками, його час життя перевищує 10 32 років). По астр. оцінок, 15% видимої речовини Всесвіту представлено H., що входять до складу ядер 4 He. H. є осн. компонентом нейтронних зірок. Вільні H. у природі утворюються в ядерних реакціях, що викликаються a-частинками радіоактивного розпаду, космічними променямий у результаті спонтанного чи вимушеного поділу важких ядер. Мистецтв. джерелами H. служать ядерні реактори, ядерні вибухи, прискорювачі протонів (на порівн. енергії) та електронів з мішенями з важких елементів. Джерелами монохроматичних пучків H. з енергією 14 МеВ є низькоенергетич. прискорювачі дейтронів з тритієвою або літієвою мішенню, а в майбутньому інтенсивними джерелами таких H. можуть виявитися термоядерні установки УТС. (Див. .)

Основні характеристики H.

Маса H. т п = 939,5731 (27) МеВ / с 2 = = 1,008664967 (34) ат. од. маси 1,675. 10 -24 р. Різниця мас H. і протона виміряна з наиб. точністю з енергетич. балансу реакції захоплення H. протоном: n + p d + g (енергія g-кванта = 2,22 МеВ), m n - m p = 1,293323 (16) МеВ / с2.

Електричний заряд H. Q n = 0. Найбільш точні прямі виміри Q n виконані за відхиленням пучків холодних або ультрахолодних H. в електростатич. поле: Q n<= 3·10 -21 е (е- Заряд електрона). Косв. дані з електрич. нейтральності мак-роскопіч. кількість газу дають Q n<= 2·10 -22 е.

Спін H. J= 1/2 був визначений із прямих дослідів з розщеплення пучка H. у неоднорідному магн. поле на дві компоненти [загалом число компонент дорівнює (2 J + 1)].

Слідувати. опис структури адронів на основі суч. теорії сильної взаємодії - квантової хромодинаміки- Поки зустрічає теоретич. Проблеми, але для мн. завдань цілком задовольнить. результати дає опис взаємодії нуклонів, що подаються як елементарні об'єкти, шляхом обміну мезонами. Експерим. Вивчення просторів. структури H. виконується за допомогою розсіювання високоенергійних лептонів (електронів, мюонів, нейтрино, що розглядаються в суч. теорії як точкові частки) на дейтронах. Внесок розсіювання на протоні вимірюється у отд. експерименті і може бути віднятий за допомогою визнач. обчислить. процедури.

Пружне та квазіпружне (з розщепленням дейтрона) розсіювання електронів на дейтроні дозволяє знайти розподіл щільності електрич. заряду та магн. моменту H. ( формфактор H.). Згідно з експериментом, розподіл густини магн. моменту H. з точністю порядку дек. відсотків збігається з розподілом щільності електрич. заряду протона і має середньоквадратичний радіус ~0,8 10 -13 см (0,8 Ф). магніт. форм-фактор H. досить добре описується т.з. дипольний ф-лой G M n = m n (1 + q 2 / 0,71) -2 де q 2 - квадрат переданого імпульсу одиницях (ГэВ/с) 2 .

Більш складне питання про величину електрич. (зарядового) формфактору H. G E n. З експериментів з розсіювання на дейтроні можна зробити висновок, що G E n ( q 2 ) <= 0,1 в інтервалі квадратів переданих імпульсів (0-1) (ГеВ/с) 2 . При q 2 0 внаслідок рівності нулю електрич. заряду H. G E n - > 0, але експериментально можна визначити дG E n ( q 2 )/дq 2 | q 2=0. Ця величина наиб. точно знаходиться з вимірів довжини розсіювання H. на електронній оболонці важких атомів. основ. частина такої взаємодії визначається магн. моментом H. Найб. точні експерименти дають довжину ne-розсіювання а nе = -1,378 (18). 10 -16 см, що відрізняється від розрахункової, що визначається магн. моментом H.: a nе = -1,468. 10 -16 см. Різниця цих значень дає середньоквадратичний електрич. радіус H.<r 2 E n >= = 0,088(12) Філі дG E n ( q 2)/дq 2 | q 2 = 0 = -0,02 F2. Ці цифри не можна розглядати як остаточні через великий розкид даних разл. експериментів, що перевищують наведені помилки.

Особливістю взаємодії H. з більшістю ядер є поклад. довжина розсіювання, що призводить до коеф. заломлення< 1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. При скорости u < (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах (напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства (см. Нейтронна оптика).

H. та слабка (електрослабка) взаємодія. Важливим джерелом відомостей про електрослабку взаємодію є b-розпад вільного H. .На кварковому рівні цей процес відповідає переходу. Зворотний процес електронної взаємодії з протоном, , зв. зворотним b-розпадом. До цього ж класу процесів належить електронне захоплення, що має місце в ядрах, ре - n v e.

Розпад вільного H. з урахуванням кінематич. параметрів описується двома константами - векторною G V, що є внаслідок векторного струму збереженняуніверс. константою слабкої взаємодії, та аксіально-векторною G A, величина до-рой визначається динамікою сильно взаємодіючих компонентів нуклону - кварків і глюонів. Хвильові ф-ції початкового H. і кінцевого протона та матричний елемент переходу n p ​​завдяки ізотопіч. інваріантності обчислюються досить точно. Внаслідок цього обчислення констант G Vі G Aз розпаду вільного H. (на відміну обчислень з b-розпаду ядер) пов'язані з урахуванням ядерно-структурных чинників.

Час життя H. без урахування деяких поправок дорівнює: t n = k(G 2 V+ 3G 2 A) -1 , де kвключає кінематич. фактори та залежні від граничної енергії b-розпаду кулонівські поправки та радіаційні поправки.

Імовірність розпаду поляризів. H. зі спином S , енергіями та імпульсами електрона та антинейтрино та р е, у загальному вигляді описується виразом:

Коеф. кореляції a, А, В, Dможуть бути представлені у вигляді ф-ції від параметра а = (G A/G V,) Exp ( i f). Фаза f відрізняється від нуля або p, якщо T-інваріантність порушена. У табл. наведено експеримент. значення для цих коеф. і випливають із них значення aта f.

Є помітна відмінність даних разл. експериментів для т n досягає дек. відсотків.

Опис електрослабкої взаємодії за участю H. за більш високих енергій набагато складніше через необхідність враховувати структуру нуклонів. Напр., m - захоплення, m - p n v m описується принаймні подвоєним числом констант. H. відчуває також електрослабку взаємодію з ін адронами без участі лептонів. До таких процесів належать такі.

1) Розпади гіперонів L np 0 , S + np + , S - np - і т. д. Наведена ймовірність цих розпадів у дек. разів менше, ніж у недивних частинок, що описується запровадженням кута Кабіббо (див. Кабібо кут).

2) Слабка взаємодія n - n або n - p, яке проявляється як ядерні сили, що не зберігають просторів. парність. Звичайна величина обумовлених ними ефектів порядку 10 -6 -10 -7.

Взаємодія H. з середніми і важкими ядрами має ряд особливостей, що призводять в деяких випадках до значить. посилення ефектів незбереження парності в ядрах. Один із таких ефектів – відносить. різниця перерізу поглинання H. з напряму поширення і проти нього, к-рая у разі ядра 139 La дорівнює 7% при = 1,33 еВ, відповідають щей р-хвильового нейтронного резонансу. Причиною посилення є поєднання малої енергії. ширини станів компаунд-ядра і великої щільності рівнів з протилежною парністю цього компаунд-ядра, що забезпечує на 2-3 порядку більше змішування компонент з різною парністю, ніж у станів ядер, що низько лежать. В результаті ряд ефектів: асиметрія випромінювання g-квантів щодо спина поляризів, що захоплюється. H. реакції (n, g), асиметрія вильоту заряд. частинок при розпаді компаунд-станів реакції (n, р) або асиметрія вильоту легкого (або важкого) осколка поділу реакції (n, f). Асиметрії мають величину 10 -4 -10 -3 при енергії теплових H. р-хвильових нейтронних резонансах реалізується доповн. посилення, пов'язане з пригніченістю ймовірності утворення компоненти цього компаунд-стану, що зберігає парність (через малу нейтронну ширину р-резонансу) по відношенню до домішкової компоненти з протилежною парністю, що є s-резонан-сом. Саме поєднання дек. факторів посилення дозволяє дуже слабкому ефекту виявлятися з величиною, характерною для ядерної взаємодії.

Взаємодії з порушенням баріонного числа. Теоретич. моделі великого об'єднанняі супероб'єднанняпередбачають нестабільність баріонів - їхній розпад у лептони та мезони. Ці розпади можна помітити лише найлегших баріонів - p і п, які входять до складу атомних ядер. Для взаємодії із зміною баріонного числа на 1, D B= 1, можна було б очікувати перетворення H. типу: n е + p -, або перетворення з випромінюванням дивних мезонів. Пошуки такого роду процесів проводилися в експериментах із застосуванням підземних детекторів з масою в дек. тисяч тон. З цих експериментів можна зробити висновок, що час розпаду H. з порушенням баріонного числа становить понад 10 32 років.

Др. можливий тип взаємодії з D У= 2 може призвести до явища взаємоперетворення H. антинейтроніву вакуумі, тобто до осциляції . У відсутність внеш. полів або при їх малій величині стану H. і антинейтрону вироджені, оскільки їх маси однакові, тому навіть надслабка взаємодія може їх перемішувати. Критерієм дещиці внеш. полів є трохи енергії взаємодії магн. моменту H. з магн. полем (n і n ~ мають протилежні за знаком магн. моменти) в порівнянні з енергією, що визначається часом Tспостереження H. (відповідно до співвідношення невизначеностей), D<=hT-1. При спостереженні народження антинейтронів у пучку H. від реактора або ін. Tє час прольоту H. до детектора. Число антинейтронів у пучку зростає із зростанням часу прольоту квадратично: /N n ~ ~ (T/t осц) 2 де t осц - час осциляції.

Прямі експерименти зі спостереження народження і в холодних пучках H. від високопоточного реактора дають обмеження t осц > 10 7 с. У експериментах, що готуються, очікується збільшення чутливості до рівня t осц ~ 10 9 с. Обмежувальними обставинами є макс. інтенсивність пучків H. та імітація явищ антинейтронів у детекторі косміч. променями.

Др. метод спостереження осциляції - спостереження анігіляції антинейтронів, які можуть утворюватися в стабільних ядрах. При цьому через велику відмінність енергій взаємодій антинейтрону, що виникає, в ядрі від енергії зв'язку H. ефф. час спостереження стає ~ 10 -22 с, але велика кількість ядер (~10 32) частково компенсує зменшення чутливості в порівнянні з експериментом на пучках H. З даних підземних експериментів з пошуку розпаду протона про відсутність подій з енерговиділенням ~2 ГеВ можна укласти з деякою невизначеністю, що залежить від незнання точного виду взаємодії антинейтрона всередині ядра, що t осц > (1-3) . 10 7 с. Істот. підвищення межі t осц у цих експериментах утруднено тлом, обумовленим взаємодією косміч. нейтрино з ядрами у підземних детекторах.

Слід зазначити, що пошуки розпаду нуклону з D B= 1 і пошуки-осциляції є незалежними експериментами, тому що викликаються принципово разл. видами взаємодій.

Гравітаційна взаємодія H. Нейтрон - одна з небагатьох елементарних частинок, падіння якої гравітація. Поле Землі можна спостерігати експериментально. Прямий вимір H. виконано з точністю 0,3% і не відрізняється від макроскопічного. Актуальним залишається питання дотримання еквівалентності принципу(рівності інертної та гравітаційної мас) для H. і протонів.

Найточніші експерименти виконані методом Ет-веша для тіл, що мають різні пор. значення відношення A/Z, де А- Ат. номер, Z- заряд ядер (у од. елементарного заряду е). З цих дослідів випливає однаковість прискорення вільного падіння H. і протонів лише на рівні 2·10 -9 , а рівність гравітац. та інертної маси на рівні ~10 -12 .

Гравітац. прискорення та уповільнення широко використовуються в дослідах з ультрахолодними H. Застосування гравітації. рефрактометр для холодних і ультрахолодних H. дозволяє з великою точністю виміряти довжини когерентного розсіювання H. на речовині.

H. у космології та астрофізиці

Відповідно до совр. уявленням, у моделі Гарячого Всесвіту (див. Гарячого Всесвіту теорія) Освіта баріонів, в т. Ч. Протонів і H., відбувається в перші хвилини життя Всесвіту. Надалі деяка частина H., не встигли розпастися, захоплюється протонами з утворенням 4 He. Співвідношення водню та 4 He при цьому становить масою 70% до 30%. При формуванні зірок та їх еволюції відбувається подальший нуклеосинтез, до ядер заліза. Утворення більш важких ядер відбувається в результаті вибухів наднових з народженням нейтронних зірок, що створюють можливість послідувати. захоплення H. нуклідами. У цьому комбінація т. зв. s-процесу - повільного захоплення H. з b-розпадом між послідовними захопленнями і r-процесу - швидкого послідовності. захоплення під час вибухів зірок в осн. може пояснити спостерігається поширеність елементіву косміч. об'єктах.

У первинній компоненті косміч. променів H. через свою нестабільність, ймовірно, відсутні. H., що утворюються біля поверхні Землі, що дифундують у косміч. простір і розпадаються там, мабуть, роблять внесок у формування електронної та протонної компоненти радіаційних поясівЗемлі.

Літ.:Гуревич І. С., Тарасов Л. Ст, Фізика нейтронів низьких енергій, M., 1965; Александров Ю. А.,. Фундаментальні властивості нейтрону, 2 видавництва, M., 1982.

• Переклад

У центрі кожного атома знаходиться ядро, крихітний набір частинок під назвою протони та нейтрони. У цій статті ми вивчимо природу протонів та нейтронів, що складаються з частинок ще дрібнішими за розміром – кварків, глюонів та антикварків. (Глюони, як і фотони є античастинками самі собі). Кварки і глюони, наскільки нам відомо, можуть бути по-справжньому елементарними (неподільними і такими, що не складаються, дрібніші за розміром). Але до них згодом.

Як не дивно, у протонів та нейтронів маса майже однакова – з точністю до відсотка:

• 0,93827 ГеВ/с 2 у протона,
• 0,93957 ГеВ/с 2 у нейтрону.

Оскільки вони такі схожі, і оскільки з цих частинок складаються ядра, протони і нейтрони часто називають нуклонами.

Протони ідентифікували та описали приблизно 1920 року (хоча відкриті вони були раніше; ядро ​​атома водню – це просто окремий протон), а нейтрони знайшли десь 1933-го. Те, що протони і нейтрони такі схожі один на одного, зрозуміли майже відразу. Але те, що вони мають вимірний розмір, порівнянний із розміром ядра (приблизно в 100 000 разів менше атома по радіусу), не знали до 1954-го. Те, що вони складається з кварків, антикварків та глюонів, поступово розуміли з середини 1960-х до середини 1970-х. До кінця 70-х і початку 80-х наше розуміння протонів, нейтронів, і того, з чого вони складаються, здебільшого устаканилося, і відтоді залишається незмінним.

Нуклони описати набагато складніше, ніж атоми чи ядра. Не сказати, що , але принаймні можна сказати, не роздумуючи, що атом гелію складається з двох електронів, що знаходяться на орбіті навколо крихітного ядра гелію; а ядро ​​гелію – досить проста група з двох нейтронів та двох протонів. А ось із нуклонами все вже не так просто. Я вже писав у статті, що атом схожий на елегантний менует, а нуклон – на дику вечірку.

Складність протона і нейтрона, зважаючи на все, справжні, і не випливають з неповних фізичних знань. У нас є рівняння, які використовуються для опису кварків, антикварків та глюонів, а також сильних ядерних взаємодій, що відбуваються між ними. Ці рівняння називаються КХД, від "квантової хромодинаміки". Точність рівнянь можна перевіряти різними способами, включаючи вимірювання кількості частинок, що з'являються на Великому адронному колайдері. Підставляючи рівняння КХД в комп'ютер і запускаючи обчислення властивостей протонів і нейтронів та інших подібних частинок (із загальною назвою «адрони»), ми отримуємо передбачення властивостей цих частинок, що добре наближаються до спостережень, зроблених у реальному світі. Тому ми маємо підстави вважати, що рівняння КХД не брешуть, і що наше знання протона і нейтрону ґрунтується на вірних рівняннях. Але просто мати правильні рівняння недостатньо, бо:

• У простих рівнянь можуть виявитися дуже складні рішення,
• Іноді неможливо описати складні рішення у простий спосіб.

Через внутрішню складність нуклонів вам, читачу, доведеться зробити вибір: як багато ви хочете дізнатися з приводу описаної складності? Неважливо, як далеко ви зайдете, задоволення це вам, швидше за все, не принесе: чим більше ви дізнаватиметеся, тим зрозуміліше вам ставатиме тема, але підсумкова відповідь залишиться тим самим – протон і нейтрон дуже складні. Я можу запропонувати вам три рівні розуміння зі збільшенням деталізації; Ви можете зупинитися після будь-якого рівня і перейти на інші теми, або можете занурюватися до останнього. Щодо кожного рівня виникають питання, відповіді на які можу частково дати в наступному, але нові відповіді викликають нові питання. У результаті – як я роблю у професійних обговореннях з колегами та просунутими студентами – я можу лише надіслати вас до даних отриманих у реальних експериментах, до різних впливових теоретичних аргументів, та комп'ютерних симуляцій.

Перший рівень розуміння

Мал. 1: надмірно спрощена версія протонів, що складаються тільки з двох верхніх кварків і одного нижнього, і нейтронів, що складаються тільки з двох нижніх кварків і одного верхнього

Щоб спростити справу, у багатьох книгах, статтях та на сайтах зазначено, що протони складаються з трьох кварків (двох верхніх та одне нижнього) та малюють щось на кшталт рис. 1. Нейтрон такий самий, що тільки складається з одного верхнього та двох нижніх кварків. Це просте зображення ілюструє те, у що вірили деякі вчені, переважно у 1960-х. Але незабаром стало зрозуміло, що ця точка зору надмірно спрощена настільки, що вже не є коректною.

З більш досвідчених джерел інформації ви дізнаєтеся, що протони складається з трьох кварків (двох верхніх та одного нижнього), які утримуються разом глюонами – і там може з'явитися картинка, схожа на рис. 2 де глюони намальовані у вигляді пружинок або ниток, що утримують кварки. Нейтрони такі самі, тільки з одним верхнім кварком і двома нижніми.

Мал. 2: покращення рис. 1 за рахунок акценту на важливій ролі сильної ядерної взаємодії, що утримує кварки в протоні

Не такий поганий спосіб опису нуклонів, оскільки він робить акцент на важливій ролі сильної ядерної взаємодії, що утримує кварки в протоні за рахунок глюонів (точно так само, як з електромагнітною взаємодією пов'язаний фотон, частка, з яких складається світло). Але це теж збиває з пантелику, оскільки насправді не пояснює, що таке глюони і що вони роблять.

Є причини рухатися далі і описувати речі так, як я робив у: протон складається з трьох кварків (двох верхніх та одного нижнього), купи глюонів і гори пар кварк-антикварк (в основному це верхні та нижні кварки, але є і кілька дивних) . Всі вони літають туди і сюди з дуже великою швидкістю (наближаючись до швидкості світла); весь цей набір утримується за допомогою сильної ядерної взаємодії. Я продемонстрував це на рис. 3. Нейтрони знову такі самі, але з одним верхнім і двома нижніми кварками; Кварк, що змінив належність, вказаний стрілкою.

Мал. 3: більш реалістичне, хоча все одно неідеальне зображення протонів та нейтронів

Ці кварки, антикварки і глюони не тільки шалено носяться туди-сюди, але і стикаються один з одним, і перетворюються один на одного через такі процеси, як анігіляція частинок (у якій кварк і антикварк одного типу перетворюються на два глюони, або навпаки) або поглинання та випромінювання глюону (в якому можуть зіткнутися кварк і глюон і породити кварк і два глюони, або навпаки).

Що у цих трьох описів загального:

• Два верхні кварки та нижній кварк (плюс щось ще) біля протона.
• Один верхній кварк і два нижні кварки (плюс ще щось) у нейтрона.
• "Ще щось" у нейтронів збігається з "ще чимось" у протонів. Тобто у нуклонів «ще щось» однакове.
• Невелика різниця в масі у протона та нейтрону з'являється через різницю мас нижнього кварка і верхнього кварка.

• у верхніх кварків електричний заряд дорівнює 2/3 e (де e – заряд протона, -e – заряд електрона),
• у нижніх кварків заряд дорівнює -1/3e,
• у глюонів заряд 0,
• у будь-якого кварку та відповідного йому антикварка загальний заряд дорівнює 0 (наприклад, у антинижнього кварка заряд +1/3e, так що у нижнього кварка та нижнього антикварка заряд буде –1/3 e +1/3 e = 0),

• загальний електричний заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• загальний електричний заряд нейтрону 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

• скільки «ще чогось» усередині нуклону,
• що воно там робить,
• звідки беруться маса та енергія маси (E = mc 2 , енергія, присутня там, навіть коли частка спочиває) нуклону.

Мал. 1 говорить про те, що кварки, по суті, є третиною нуклону - приблизно так, як протон або нейтрон представляють чверть ядра гелію або 1/12 ядра вуглецю. Якби цей малюнок був правдивий, кварки в нуклоні рухалися б відносно повільно (зі швидкостями набагато меншими за світлову) з відносно слабкими взаємодіями, що діють між ними (хоча і за наявності якоїсь потужної сили, яка утримує їх на місці). Маса кварку, верхнього і нижнього, становила б тоді близько 0,3 ГеВ/с 2 приблизно третину маси протона. Але це просте зображення і ідеї, що їм нав'язуються, просто невірні.

Мал. 3. дає зовсім інше уявлення про протон, як про казан частинок, що снують у ньому зі швидкостями, близькими до світловий. Ці частинки стикаються один з одним, і в цих зіткненнях деякі з них анігілюють, інші створюються на їх місці. Глюони немає маси, маси верхніх кварків становлять порядку 0,004 ГеВ/с 2 , а нижніх – порядку 0,008 ГеВ/с 2 - у сотні разів менше протона. Звідки береться енергія маси протона, питання складне: частина її йде від енергії маси кварків та антикварків, частина – від енергії руху кварків, антикварків та глюонів, а частина (можливо, позитивна, можливо, негативна) з енергії, що зберігається у сильній ядерній взаємодії, утримує кварки, антикварки та глюони разом.

У певному сенсі рис. 2 намагається усунути різницю між рис. 1 та рис. 3. Він спрощує рис. 3 видаляючи безліч пар кварк-антикварк, які, в принципі, можна назвати ефемерними, оскільки вони постійно виникають і зникають, і не є необхідними. Але вона справляє враження того, що глюони в нуклонах є безпосередньою частиною сильної ядерної взаємодії, що утримує протони. І вона не пояснює, звідки береться маса протону.

У рис. 1 є інший недолік, крім вузьких рамок протону та нейтрону. Вона не пояснює деякі властивості інших адронів, наприклад, півонії та ро-мезону. Ті ж проблеми є і рис. 2.

Ці обмеження і призвели до того, що своїм студентам і на моєму сайті я даю картинку з рис. 3. Але хочу попередити, що і вона має безліч обмежень, які я розгляну пізніше.

Варто відзначити, що надзвичайну складність будови, яка має на увазі рис. 3, варто було очікувати від об'єкта, який утримує разом така потужна сила, як сильна ядерна взаємодія. І ще одне: три кварки (два верхні і один нижній у протона), що не є частиною групи пар кварків-антикварків, часто називають «валентними кварками», а пари кварків-антикварків – «морем кваркових пар». Така мова у багатьох випадках технічно зручна. Але він дає хибне враження того, що якби ви змогли заглянути всередину протона, і подивилися на певний кварк, ви відразу змогли б сказати, чи є він частиною моря чи валентним. Цього зробити не можна, такого способу немає.

Маса протону та маса нейтрону

Мал. 1 говорить про те, що верхній і нижній кварки просто складають по 1/3 від маси протона і нейтрону: близько 0,313 ГеВ/с 2 або через енергію, необхідну для утримання кварків в протоні. І оскільки різниця між масами протона та нейтрону становить частку відсотка, різниця між масами верхнього та нижнього кварку теж має становити частку відсотка.

Мал. 2 менш зрозумілий. Яка частина маси протону існує завдяки глюона? Але, в принципі, з малюнка випливає, що більшість маси протона все одно походить від маси кварків, як на рис. 1.

Мал. 3 відображає більш тонкий підхід до того, як насправді з'являється маса протона (як ми можемо перевірити безпосередньо через комп'ютерні обчислення протона, і безпосередньо з використанням інших математичних методів). Він дуже відрізняється від ідей, представлених на рис. 1 і 2, і виявляється не таким простим.

Щоб зрозуміти, як це працює, потрібно думати не в термінах маси протона m, але в термінах його енергії маси E = mc 2 енергії, пов'язаної з масою. Концептуально правильним питанням буде «звідки взялася маса протона m», після якого ви можете підрахувати E, помноживши m на c 2 , а навпаки: «звідки береться енергія маси протона E», після якого можна підрахувати масу m, розділивши E на c 2 .

Корисно класифікувати внески в енергію маси протона за трьома групами:

А) Енергія маси (енергія спокою) кварків і антикварків, що містяться в ньому (глюони, безмасові частинки, ніякого вкладу не роблять).
Б) Енергія руху (кінетична енергія) кварків, антикварків та глюонів.
В) Енергія взаємодії (енергія зв'язку або потенційна енергія), що зберігається у сильній ядерній взаємодії (точніше, у глюонних полях), що утримують протон.

Мал. 3 говорить про те, що частинки всередині протона рухаються з великою швидкістю, і що в ньому повно безмасових глюонів, тому внесок Б більше А). Зазвичай, у більшості фізичних систем Б) та В) виявляються порівнянними, причому В) часто негативно. Так що енергія маси протона (і нейтрону) в основному виходить із комбінації Б) та В), а А) вносить малу частку. Тому маси протона і нейтрону з'являються в основному не через мас частинок, що містяться в них, а через енергій руху цих частинок і енергії їх взаємодії, пов'язаної з глюонними полями, що породжують сили, що утримують протон. У більшості інших знайомих нам систем баланс енергій розподілено по-іншому. Наприклад, в атомах і Сонячній системі домінує А), а Б) і В) виходять набагато менше, і можна порівняти за величиною.

Підбиваючи підсумки, зазначимо, що:

• Мал. 1 передбачає, що енергія маси протона походить із вкладу А).
• Мал. 2 передбачає, що важливі обидва внески А) і В), і трохи своєї частки вносить Б).
• Мал. 3 передбачає, що важливі Б) та В), а внесок А) виявляється незначним.

Якщо рис. 3 не бреше, маси кварку і антикварка дуже малі. Які вони насправді? Маса верхнього кварку (як і антикварка) вбирається у 0,005 ГеВ/с 2 , що набагато менше, ніж 0,313 ГеВ/с 2 , що випливає з рис. 1. (Масу верхнього кварка важко виміряти, і це значення змінюється через тонкі ефекти, так що вона може виявитися набагато меншою, ніж 0,005 ГеВ/с 2). Маса нижнього кварку приблизно на 0,004 ГеВ/с 2 більша за масу верхнього. Це означає, що маса будь-якого кварку чи антикварка не перевищує одного відсотка маси протона.

Зверніть увагу, що це означає (суперечливо рис. 1), що відношення маси нижнього кварку до верхнього не наближається до одиниці! Маса нижнього кварку як мінімум вдвічі перевищує масу верхнього. Причина того, що маси нейтрону і протона такі схожі, не в тому, що схожі маси верхнього і нижнього кварків, а в тому, що маси верхнього і нижнього кварків дуже малі - і різниця між ними мала, по відношенню до мас протону і нейтрону. Згадайте, що для перетворення протона на нейтрон, вам потрібно просто замінити один з його верхніх кварків на нижній (рис. 3). Цієї заміни достатньо для того, щоб зробити нейтрон трохи важчим за протон, і поміняти його заряд з +е на 0.

До речі, той факт, що різні частинки всередині протона стикаються один з одним, і постійно з'являються і зникають, не впливає на речі, які ми обговорюємо – енергія зберігається в будь-якому зіткненні. Енергія маси та енергія руху кварків і глюонів може змінюватися, як і енергія їхньої взаємодії, але загальна енергія протона не змінюється, хоча все всередині нього постійно змінюється. Так що маса протона залишається постійною, незважаючи на його внутрішній вихор.

На цьому моменті можна зупинитися та ввібрати отриману інформацію. Вражаюче! Практично вся маса, що міститься у звичайній матерії, походить із маси нуклонів в атомах. І більшість цієї маси походить з хаосу, властивого протону і нейтрону – з енергії руху кварків, глюонів і антикварків в нуклонах, і з роботи сильних ядерних взаємодій, утримують нуклон у цілому стані. Так: наша планета, наші тіла, наше дихання є результатом такого тихого, і, донедавна, неймовірного стовпотворіння.