Нуклон - Nucleon

Атомное ядро показан здесь в виде компактного пучка двух типов нуклонов, протонов (красный) и нейтронов (синий). На этом рисунке протоны и нейтроны показаны отдельно, что, например, является общепринятым представлением в химии . Но в реальном ядре, как понимается современной ядерной физикой , нуклоны частично делокализованы и организуются в соответствии с законами квантовой хромодинамики .

В химии и физике , нуклон является либо протон или нейтрон , рассматривается в его роли в качестве составляющей атомного ядра . Число нуклонов в ядре определяет изотоп «сек массового числа (номер нуклонного) .

До 1960-х годов нуклоны считались элементарными частицами , а не состоящими из более мелких частей. Теперь они известны как составные частицы , состоящие из трех кварков, связанных друг с другом сильным взаимодействием . Взаимодействие между двумя или более нуклонами называется межнуклонным взаимодействием или ядерной силой , которая также в конечном итоге вызвана сильным взаимодействием. (До открытия кварков термин «сильное взаимодействие» относился только к межнуклонным взаимодействиям.)

Нуклоны находятся на границе пересечения физики элементарных частиц и ядерной физики . Физика элементарных частиц, в частности квантовая хромодинамика , предоставляет фундаментальные уравнения, которые описывают свойства кварков и сильного взаимодействия. Эти уравнения количественно описывают, как кварки могут соединяться в протоны и нейтроны (и все другие адроны ). Однако, когда несколько нуклонов собираются в атомное ядро ​​( нуклид ), эти фундаментальные уравнения становятся слишком сложными для прямого решения (см. Решеточную КХД ). Вместо этого нуклиды изучаются в рамках ядерной физики , которая изучает нуклоны и их взаимодействия с помощью приближений и моделей, таких как модель ядерной оболочки . Эти модели могут успешно описывать свойства нуклидов, например, подвергается ли конкретный нуклид радиоактивному распаду .

Протон и нейтрон входят в схему категорий, одновременно являющихся фермионами , адронами и барионами . Протон несет положительный суммарный заряд , а нейтрон несет нулевой суммарный заряд; масса протона всего на 0,13% меньше массы нейтрона. Таким образом, их можно рассматривать как два состояния одного и того же нуклона, и вместе они образуют изоспиновый дублет ( I = 1/2). В изоспиновом пространстве нейтроны могут превращаться в протоны и, наоборот, с помощью симметрии SU (2) . На эти нуклоны одинаково действует сильное взаимодействие, инвариантное относительно вращения в изоспиновом пространстве. Согласно теореме Нётер изоспин сохраняется по отношению к сильному взаимодействию.

Обзор

Характеристики

Кварковый состав нуклона
Протон
Протон (
п
):
ты

ты

d
Нейтрон
Нейтрон (
п
):
ты

d

d
Антипротон
Антипротон (
п
):
ты

ты

d
Антинейтрон
Антинейтрон (
п
):
ты

d

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

ты

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

d

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

Протоны и нейтроны наиболее известны как нуклоны, т. Е. Как компоненты атомных ядер, но они также существуют как свободные частицы. Свободные нейтроны нестабильны, их период полураспада составляет около 13 минут, но у них есть важные приложения (см. Нейтронное излучение и рассеяние нейтронов ). Протоны, не связанные с другими нуклонами, являются ядрами атомов водорода, когда они связаны с электроном, или - если они ни с чем не связаны - являются ионами или космическими лучами.

И протон, и нейтрон являются составными частицами , что означает, что каждая состоит из более мелких частей, а именно из трех кварков каждая; хотя когда-то так считалось, ни то, ни другое не является элементарной частицей . Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка , а нейтрон имеет один верхний кварк и два нижних кварка. Кварки удерживаются вместе сильным взаимодействием или, что эквивалентно, глюонами , которые опосредуют сильное взаимодействие на кварковом уровне.

Вверх-кварк имеет электрический заряд ++2/3 е , а у нижнего кварка есть заряд -+1/3 e , поэтому суммарные электрические заряды протона и нейтрона равны + e и 0 соответственно. Таким образом, нейтрон имеет заряд 0 (ноль) и, следовательно, электрически нейтрален; действительно, термин «нейтрон» происходит от того факта, что нейтрон электрически нейтрален.

Массы протона и нейтрона близки: для протона это 1,6726 × 10 −27  кг (938,27  МэВ / c 2 ), а для нейтрона -1,6749 × 10 −27  кг (939,57  МэВ / c 2 ); нейтрон тяжелее примерно на 0,13%. Сходство в массе можно примерно объяснить небольшой разницей в массах верхних и нижних кварков, составляющих нуклоны. Однако подробное описание остается нерешенной проблемой в физике элементарных частиц.

Спин нуклона1/2, что означает, что они являются фермионами и, как и электроны , подчиняются принципу исключения Паули : не более одного нуклона, например, в атомном ядре, может занимать одно и то же квантовое состояние .

В изоспиновом и спине числа квантового нуклона имеет два состояния каждое, в результате чего четыре комбинации в общей сложности. Альфа - частица состоит из четырех нуклонов , занимающих все четыре комбинации, а именно, он имеет два протона (с противоположным спином ) и два нейтрона (также имеющие противоположный спин), а его чистый ядерный спин равен нуль. В более крупных ядрах составляющие нуклоны, по исключению Паули, вынуждены иметь относительное движение , которое также может вносить вклад в ядерный спин через орбитальное квантовое число . Они распространяются на ядерные оболочки, аналогичные электронным оболочкам, известным из химии.

Магнитный момент протона, обозначается М р , является2,79  μ N (где μ N представляет собой атомно-масштабный единица измерения называется ядерный магнетон ). Магнитный момент нейтрона μ n =-1,91  μ N . Эти параметры также важны при сканировании ЯМР / МРТ .

Стабильность

Нейтрон в свободном состоянии - нестабильная частица с периодом полураспада около десяти минут. Он подвергается
β-
распад
(тип радиоактивного распада ), превращаясь в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино . (См. Статью Neutron для более подробного обсуждения распада нейтрона.) Протон сам по себе считается стабильным, или, по крайней мере, его время жизни слишком велико для измерения. Это важное обсуждение в физике элементарных частиц (см. Распад протона ).

С другой стороны, внутри ядра объединенные протоны и нейтроны (нуклоны) могут быть стабильными или нестабильными в зависимости от нуклида или ядерной разновидности. Внутри некоторых нуклидов нейтрон может превращаться в протон (производя другие частицы), как описано выше; обратное может произойти внутри других нуклидов, где протон превращается в нейтрон (производя другие частицы) через
β+
распад
или захват электрона . А внутри других нуклидов и протоны, и нейтроны стабильны и не меняют формы.

Антинуклоны

У обоих нуклонов есть соответствующие античастицы : антипротон и антинейтрон , которые имеют ту же массу и противоположный заряд, что и протон и нейтрон соответственно, и взаимодействуют одинаково. (Обычно считается, что это в точности верно из-за симметрии CPT . Если есть разница, она слишком мала для измерения во всех экспериментах на сегодняшний день.) В частности, антинуклоны могут связываться в «антинуклеон». К настоящему времени ученые создали ядра антидейтерия и антигелия-3.

Таблицы подробных свойств

Нуклоны

Нуклоны ( I =1/2; S = C = B = 0)

Имя частицы
Условное обозначение
Содержание кварка
Масса Я 3 J P Q Магнитный момент ( μ Н ) Средняя продолжительность жизни Обычно распадается на
протон
п
/
п+
/
N+

ты

ты

d
938.272 013 (23)  МэВ / c 2 1,007 276 466 77 (10)  Да +1/2 1/2+ +1  е 2,792 847 356 (23) стабильный ненаблюдаемый
нейтрон
п
/
п0
/
N0

ты

d

d
939,565 346 (23)  МэВ / c 2 1,008 664 915 97 (43)  Да -+1/2 1/2+ e -1,913 042 73 (45) 885,7 (8)  с
п
+
е-
+
ν
е
антипротон
п
/
п-
/
N-

ты

ты

d
938.272 013 (23)  МэВ / c 2 1,007 276 466 77 (10)  Да -+1/2 1/2+ −1  e -2,793 (6) стабильный ненаблюдаемый
антинейтрон
п
/
п0
/
N0

ты

d

d
939,485 (51)  МэВ / c 2 1,008 664 915 97 (43)  Да ++1/2 1/2+ e ? 885,7 (8)  с
п
+
е+
+
ν
е

^ a Массы протона и нейтрона известны с гораздо большей точностью вдальтонах(Да), чем в МэВ /c2,из-за способа их определения. Используемый коэффициент преобразования: 1 Да = 931.494 028 (23) МэВ / c 2 .

^ b Минимум 1035лет. Смотритераспад протона.

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

Считается, что массы их античастиц идентичны, и до сих пор ни один эксперимент не опроверг это. Текущие эксперименты показывают, что любая относительная разница между массами протона и антипротона должна быть меньше, чем2 × 10 −9, а разница масс нейтрона и антинейтрона порядка(9 ± 6) × 10 −5  МэВ / c 2 .

Тесты протон-антипротонной CPT-инвариантности
Тестовое задание Формула Результат PDG
Масса <2 × 10 −9
Отношение заряда к массе 0,999 999 999 91 (9)
Отношение заряда к массе к массе (−9 ± 9) × 10 −11
Плата <2 × 10 −9
Электронный заряд <1 × 10 −21
Магнитный момент (−0,1 ± 2,1) × 10 −3

Нуклонные резонансы

Нуклонные резонансы - это возбужденные состояния нуклонных частиц, часто соответствующие одному из кварков с перевернутым спином или с другим орбитальным угловым моментом при распаде частицы. В эту таблицу включены только резонансы с рейтингом 3 или 4 звезды в группе данных по частицам (PDG). Из-за их чрезвычайно короткого времени жизни многие свойства этих частиц все еще исследуются.

Формат символа представлен как N ( m ) L IJ , где m - приблизительная масса частицы, L - орбитальный угловой момент (в спектроскопической записи ) пары нуклон-мезон, образующийся при распаде, а I и J - изоспин частицы и полный угловой момент соответственно. Поскольку нуклоны определяются как имеющие1/2изоспин, первое число всегда будет 1, а второе число всегда будет нечетным. При обсуждении нуклонных резонансов иногда N опускают и меняют порядок в виде L IJ ( m ); например, протон может быть обозначен как «N (939) S 11 » или «S 11 (939)».

В таблице ниже указан только базовый резонанс; каждая отдельная запись представляет 4  бариона : 2 частицы нуклонного резонанса и 2 их античастицы. Каждый резонанс существует в форме с положительным электрическим зарядом ( Q ) с кварковым составом
ты

ты

d
как протон, и нейтральная форма, с кварковым составом
ты

d

d
как нейтрон, а также соответствующие античастицы с антикварковым составом
ты

ты

d
а также
ты

d

d
соответственно. Поскольку они не содержат странных , очаровательных , нижних или верхних кварков, эти частицы не обладают странностями и т. Д.

В таблице приведены только резонансы с изоспином =1/2. Для резонансов с изоспином =3/2, см. статью о дельта-барионах .

Нуклонные резонансы с I =1/2
Условное обозначение  J P  Средняя масса PDG
( МэВ / c 2 )
Полная ширина
(МэВ / c 2 )
Полюсное положение
(действительная часть)
Положение полюса
(−2 × мнимая часть)
Обычные распады
i / Γ> 50%)
N (939) P 11
1/2+ 939
N (1440) P 11

( резонанс Ропера )
1/2+ 1440
(1420–1470)
300
(200–450)
1365
(1350–1380)
190
(160–220)

N
+
π
N (1520) D 13
3/2- 1520
(1515–1525)
115
(100–125)
1510
(1505–1515)
110
(105–120)

N
+
π
Обычн. (1535) ю. 11
1/2- 1535
(1525–1545)
150
(125–175)
1510
(1490–1530)
170
(90–250)

N
+
π
или


N
+
η
N (1650) S 11
1/2- 1650
(1645–1670)
165
(145–185)
1665
(1640–1670)
165
(150–180)

N
+
π
N (1675) D 15
5/2- 1675
(1670–1680)
150
(135–165)
1660
(1655–1665)
135
(125–150)

N
+
π
+
π
или


Δ
+
π
N (1680) F 15
5/2+ 1685
(1680–1690)
130
(120–140)
1675
(1665–1680)
120
(110–135)

N
+
π
N (1700) D 13
3/2- 1700
(1650–1750)
100
(50–150)
1680
(1630–1730)
100
(50–150)

N
+
π
+
π
N (1710) П 11
1/2+ 1710
(1680–1740)
100
(50–250)
1720
(1670–1770)
230
(80–380)

N
+
π
+
π
N (1720) P 13
3/2+ 1720
(1700–1750)
200
(150–300)
1675
(1660–1690)
115–275
N
+
π
+
π
или


N
+
ρ
N (2190) G 17
7/2- 2190
(2100–2200)
500
(300–700)
2075
(2050–2100)
450
(400–520)

N
+
π
(10–20%)
Обычн. (2220) ч. 19
9/2+ 2250
(2200–2300)
400
(350–500)
2170
(2130–2200)
480
(400–560)

N
+
π
(10–20%)
N (2250) G 19
9/2- 2250
(2200–2350)
500
(230–800)
2200
(2150–2250)
450
(350–550)

N
+
π
(5-15%)

Нуклон P 11 (939) представляет собой возбужденное состояние нормального протона или нейтрона. Такая частица может быть стабильной в атомном ядре, например, в литии-6 .

Классификация кварковой модели

В кварковой модели с ароматом SU (2) два нуклона являются частью дублета основного состояния. Протон имеет кварковое содержание uud , а нейтрон - udd . В аромате SU (3) они являются частью октета основного состояния ( 8 ) спина -1/2 барионы , известные как Восьмеричный путь . Остальные члены этого октета - странный изотриплет гиперонов.
Σ+
,
Σ0
,
Σ-
, то
Λ
и странный изодублет
Ξ0
,
Ξ-
. Можно расширить этот мультиплет в аромате SU (4) (с включением очаровательного кварка ) до 20- плета основного состояния или до аромата SU (6) (с включением верхнего и нижнего кварков ) до основного состояния. -государство 56 -плет .

В статье об изоспине дается явное выражение для волновых функций нуклонов через собственные состояния ароматов кварков.

Модели

Хотя известно, что нуклон состоит из трех кварков, по состоянию на 2006 г. неизвестно, как решить уравнения движения для квантовой хромодинамики . Таким образом, исследование низкоэнергетических свойств нуклона проводится с помощью моделей. Единственный доступный подход из первых принципов - это попытка решить уравнения КХД численно, используя решеточную КХД . Для этого требуются сложные алгоритмы и очень мощные суперкомпьютеры . Однако существует также несколько аналитических моделей:

Модели Skyrmion

В скирмионе модель нуклонная как топологический солитон в нелинейной SU (2) пион поле. Топологическая устойчивость скирмиона интерпретируется как сохранение барионного числа , то есть нераспад нуклона. Локальная плотность топологической намотки отождествляется с локальной плотностью барионного числа нуклона. С векторным полем изоспина пиона, ориентированным в форме пространства ежа , модель легко разрешима, поэтому ее иногда называют моделью ежа . Модель ежа способна предсказывать низкоэнергетические параметры, такие как масса нуклона, радиус и константа аксиальной связи , примерно до 30% от экспериментальных значений.

Модель сумки MIT

Модель мешка MIT ограничивает кварки и глюоны, взаимодействующие посредством квантовой хромодинамики, в области пространства, определяемой путем уравновешивания давления, оказываемого кварками и глюонами, на гипотетическое давление, оказываемое вакуумом на все цветные квантовые поля. Простейшее приближение к модели ограничивает три невзаимодействующих кварка сферической полостью с граничным условием, что вектор кваркового тока обращается в нуль на границе. Невзаимодействие кварков оправдано обращением к идее асимптотической свободы , тогда как жесткое граничное условие оправдано удержанием кварков .

Математически модель отдаленно напоминает модель резонатора радара с решениями уравнения Дирака, заменяющими решения уравнений Максвелла , и граничным условием исчезающего вектора тока, стоящим за проводящими металлическими стенками полости радара. Если радиус мешка установлен равным радиусу нуклона, модель мешка предсказывает массу нуклона, которая находится в пределах 30% от реальной массы.

Хотя базовая модель мешка не обеспечивает взаимодействия, опосредованного пионами, она прекрасно описывает нуклон-нуклонные силы через механизм s- канала 6 кварковых мешков с использованием P- матрицы.

Модель хирального мешка

Модель хирального мешка объединяет модель мешка MIT и модель скирмиона . В этой модели в середине скирмиона пробивается отверстие, которое заменяется моделью мешка. Граничное условие обеспечивается требованием непрерывности аксиального векторного тока через границу мешка.

Очень любопытно, что недостающая часть топологического числа намотки (барионного числа) дыры, пробитой в скирмионе, в точности состоит из ненулевого значения математического ожидания (или спектральной асимметрии ) кварковых полей внутри мешка. По состоянию на 2017 год этот замечательный компромисс между топологией и спектром оператора не имеет никакого обоснования или объяснения в математической теории гильбертовых пространств и их связи с геометрией .

Следует отметить несколько других свойств хирального мешка: он обеспечивает лучшее соответствие свойствам низкоэнергетических нуклонов с точностью до 5–10%, и они почти полностью не зависят от радиуса хирального мешка, если радиус меньше чем радиус нуклона. Эта независимость радиуса упоминается как принцип Чеширского кота , после угасания Льюиса Кэрролла «s Чеширского Кота , чтобы только его улыбка. Ожидается, что решение уравнений КХД из первых принципов продемонстрирует аналогичную двойственность кварк-пионных описаний.

Смотрите также

Сноски

использованная литература

Списки частиц

дальнейшее чтение