На що діляться протони та нейтрони. Велика енциклопедія нафти та газу

→

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.

Імовірності та квантова механіка

Розміри та маси атомів малі. Радіус атомів становить 10 -10 м, а радіус ядра - 10 -15 м. Маса атома визначається розподілом маси одного моль атомів елемента на число атомів в 1 моль (NA = 6,02 · 10 23 моль -1). Маса атомів змінюється не більше 10 -27 ~ 10 -25 кг. Зазвичай масу атомів виражають атомних одиницях маси (а.е.м.). За а.е.м. прийнято 1/12 маси атома ізотопу вуглецю 12 С.

Основними характеристиками атома є заряд його ядра (Z) та масове число (А). Число електронів в атомі дорівнює заряду його ядра. Властивості атомів визначаються зарядом їх ядер, числом електронів та його станом в атомі.

Основні властивості та будова ядра (теорія складу атомних ядер)

1. Ядра атомів всіх елементів (за винятком водню) складаються з протонів та нейтронів.

2. Число протонів у ядрі визначає значення його позитивного заряду (Z). Z- Порядковий номер хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва.

3. Сумарне число протонів і нейтронів - значення його маси, оскільки маса атома переважно зосереджена в ядрі (99, 97% маси атома). Ядерні частинки - протони та нейтрони - об'єднуються під загальною назвою нуклони(Від латинського слова nucleus, що означає "ядро"). Загальна кількість нуклонів відповідає - масовому числу, тобто. округленою до цілого числа його атомної маси А.

Ядра з однаковими Z, але різними Аназиваються ізотопами. Ядра, які за однакового Амають різні Z, називаються ізобарами. Всього відомо близько 300 стійких ізотопів хімічних елементів та понад 2000 природних та штучно отриманих радіоактивних ізотопів.

4. Число нейтронів у ядрі Nможе бути знайдено по різниці між масовим числом ( А) та порядковим номером ( Z):

5. Розмір ядра характеризується радіусом ядра, що мають умовний зміст через розмитість кордону ядра.

Щільність ядерної речовини становить по порядку величини 1017 кг/м 3 і постійна для всіх ядер. Вона значно перевищує щільність найщільніших звичайних речовин.

Протонно-нейтронна теорія дозволила вирішити суперечності, що виникли раніше, у уявленнях про склад атомних ядер і про його зв'язок з порядковим номером і атомною масою.

Енергія зв'язку ядравизначається величиною тієї роботи, яку потрібно зробити, щоб розщепити ядро на нуклони, що його складають, без надання їм кінетичної енергії. Із закону збереження енергії випливає, що при утворенні ядра повинна виділятися така ж енергія, яку потрібно витратити при розщепленні ядра на його нуклони. Енергія зв'язку ядра є різницею між енергією всіх вільних нуклонів, що становлять ядро, та їх енергією в ядрі.

При утворенні ядра відбувається зменшення його маси: маса ядра менша, ніж сума мас його нуклонів. Зменшення маси ядра за його утворення пояснюється виділенням енергії зв'язку. Якщо Wсв- величина енергії, що виділяється при утворенні ядра, то відповідна їй маса Dm, що дорівнює

називається дефектом масиі характеризує зменшення сумарної маси при утворенні ядра з його складових нуклонів. Однією атомній одиниці маси відповідає атомна одиниця енергії(А.Є.Е.): А.Е.Е. = 931,5016 МеВ.

Питомою енергією зв'язку ядра wназивається енергія зв'язку, що припадає на один нуклон: wсв= . Величина wсвсоставляет в середньому 8 МеВ/нуклон. У міру збільшення числа нуклонів у ядрі питома енергія зв'язку зменшується.

Критерієм стійкості атомних ядерє співвідношення між числом протонів та нейтронів у стійкому ядрі для даних ізобарів. ( А= Const).

Ядерні сили

1. Ядерне взаємодія свідчить у тому, що у ядрах існують особливі ядерні сили, що не зводяться до жодного з типів сил, відомих у класичній фізиці (гравітаційних та електромагнітних).

2. Ядерні сили є короткодіючими силами. Вони виявляються лише на дуже малих відстанях між нуклонами в ядрі порядку 10-15 м. Довжина (1,5?2,2)10-15 називається радіусом дії ядерних сил.

3. Ядерні сили виявляють зарядову незалежність: тяжіння між двома нуклонами однаково незалежно від зарядового стану нуклонів - протонного або нуклонного. Зарядова незалежність ядерних сил видно з порівняння енергій зв'язку в дзеркальних ядрах. Так називаються ядра, в яких однаково загальна кількість нуклонів, але число протонів в одному дорівнює числу нейтронів в іншому. Наприклад, ядра гелію важкого водню тритію - .

4. Ядерні сили мають властивість насичення, яке проявляється в тому, що нуклон в ядрі взаємодіє лише з обмеженою кількістю найближчих до нього сусідніх нуклонів. Саме тому спостерігається лінійна залежність енергій зв'язку ядер від своїх масових чисел (А). Практично повне насичення ядерних сил досягається у a-частинки, яка є дуже стійкою освітою.

Радіоактивність, g-випромінювання, a та b - розпад

1.Радіоактивністюназивається перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента на ізотопи іншого елемента, що супроводжується випромінюванням елементарних частинок, ядер або жорсткого рентгенівського випромінювання. Природною радіоактивністюназивається радіоактивність, що спостерігається у існуючих у природі нестійких ізотопів. Штучною радіоактивністюназивається радіоактивність ізотопів, одержаних у результаті ядерних реакцій.

2. Зазвичай всі типи радіоактивності супроводжуються випромінюванням гамма-випромінювання - жорсткого, короткохвильового електрохвильового випромінювання. Гамма-випромінювання є основною формою зменшення енергії збуджених продуктів радіоактивних перетворень. Ядро, що зазнає радіоактивного розпаду, називається материнським; виникає дочірнєядро, зазвичай, виявляється збудженим, та її перехід у основний стан супроводжується випромінюванням g-фотона.

3. Альфа-розпадомназивається випромінювання ядрами деяких хімічних елементів a - частинок. Альфа-розпад є властивістю важких ядер з масовими числами А>200 і зарядами ядер Z>82. Усередині таких ядер відбувається утворення відокремлених a-часток, що складаються з двох протонів і двох нейтронів, тобто. утворюється атом елемента, зміщеного у таблиці періодичної системи елементів Д.І. Менделєєва (ПСЕ) на дві клітинки вліво від вихідного радіоактивного елемента з масовим числом меншим не 4 одиниці(Правило Содді - Фаянса):

4. Терміном бета-розпад позначають три типи ядерних перетворень: електронний(b-) та позитронний(b+) розпади, а також електронне захоплення.

b-розпад відбувається переважно у порівняно багатих нейтронами ядер. При цьому нейтрон ядра розпадається на протон, електрон та антинейтрино () з нульовим зарядом та масою.

При b-розпаді масове число ізотопу не змінюється, так як загальна кількість протонів і нейтронів зберігається, а заряд збільшується на 1. атом хімічного елемента, що утворився, зміщується ПСЕ на одну клітинку вправо від вихідного елемента, а його масове число не змінюється(Правило Содді - Фаянса):

b+- розпад відбувається переважно у відносно багатих протонами ядер. У цьому протон ядра розпадається на нейтрон, позитрон і нейтрино ().

При b+- розпаді масове число ізотопу не змінюється, оскільки загальна кількість протонів і нейтронів зберігається, а заряд зменшується на 1. атом хімічного елемента, що утворився, зміщується ПСЕ на одну клітинку вліво від вихідного елемента, а його масове число не змінюється(Правило Содді - Фаянса):

5. У разі електронного захоплення перетворення полягає в тому, що зникає один з електронів у найближчому шарі до ядра. Протон, перетворюючись на нейтрон, хіба що “захоплює” електрон; звідси відбувся термін ”електронне захоплення”. Електронний захоплення на відміну b-захоплення супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням.

6. b-розпад відбувається у природно-радіоактивних, а також штучно-радіоактивних ядер; b+-розпад характерний лише явища штучної радіоактивності.

7. g-випромінювання: при збудженні ядро атома випускає електромагнітне випромінювання з малою довжиною хвилі і високою частотою, що має більшу жорсткість і проникаючу здатність, ніж рентгенівське випромінювання. В результаті енергія ядра зменшується, а масове число та заряд ядра залишаються не низькими. Тому перетворення хімічного елемента на інший немає, а ядро атома перетворюється на менш збуджений стан.

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.

Це ключ до їхньої природи – вони насправді дуже схожі. Так, між ними існує одна очевидна відмінність: у протона позитивний електричний заряд, а у нейтрона заряду немає (він нейтральний, звідси його назва). Відповідно, електричні сили діють перший, але з другий. На перший погляд ця відмінність здається дуже важливою! Але насправді це негаразд. В інших сенсах протон з нейтроном майже близнюки. Вони ідентичні як маси, а й внутрішнє будова.

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 атоми в принципі прості, 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 таке протон, і що в нього всередині?", 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.

Наскільки ми можемо судити, саме така ситуація з нуклонами: це складні рішення щодо простих рівнянь КХД, і описати їх парою слів або картинок неможливо.

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

З чого складаються протони та нейтрони?

Рис. 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.

Рис. 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.

Рис. 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.

І, оскільки:

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),

Кожен малюнок відносить електричний заряд протона на рахунок двох верхніх і одного нижнього кварка, а ще щось додає до заряду 0. Так само у нейтрона заряд нульовий завдяки одному верхньому і двом нижнім кваркам:

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.

Розрізняються ці описи в наступному:

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.

Оскільки більшість маси атома, і, отже, всієї звичайної матерії, міститься в протонах і нейтронах, останній пункт дуже важливий для правильного розуміння нашої природи.

Рис. 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.

Рис. 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

Оскільки маси протона і нейтрону так схожі, і оскільки протон і нейтрон відрізняються тільки заміною верхнього кварка нижнім, здається ймовірним, що їх маси забезпечуються тим самим способом, виходять з одного джерела, і їх різниця полягає в невеликій відмінності між верхнім і нижнім кварками . Але три наведені малюнки говорять про наявність трьох дуже різних поглядів на походження маси протона.

Рис. 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.

Рис. 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.

Рис. 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.

Рис. 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:

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

Нам відомо, що вірний рис. 3. Для його перевірки ми можемо провести комп'ютерні симуляції, і, що важливіше, завдяки різним переконливим теоретичним аргументам, ми знаємо, що якби маси верхнього та нижнього кварків були нульовими (а решта залишилося, як є), маса протона практично не змінилася б. Отже, зважаючи на все, маси кварків не можуть робити важливі вклади в масу протона.

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.

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.

У цьому принципова відмінність наукового підходу, використаного польовою теорією елементарних частинок - справжня теорія має суворо діяти у межах законів природи: у цьому полягає НАУКА.

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%.

Наявність потужного постійного магнітного поля пояснює володіння ядерними силами нейтроном. Структура нейтрону наведено малюнку.

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

Далі множимо його на відсоток енергії змінного електромагнітного поля нейтрону розділений на 100 відсотків і переводимо в ядерні магнетони. При цьому не слід забувати, що ядерні магнетони враховують масу протону (m 0p), а не нейтрону (m 0n), тому отриманий результат треба помножити на відношення m 0p /m 0n . У результаті отримаємо 1,91304.

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

Переклад