Nukleon - Nucleon

Jądro atomowe jest pokazany tutaj jako zwarty pakiet z dwóch rodzajów nukleony, protony (czerwony) i neutronów (niebieski). Na tym zdjęciu protony i neutrony są pokazane jako odrębne, co jest typowym poglądem na przykład w chemii . Jednak w prawdziwym jądrze, w rozumieniu współczesnej fizyki jądrowej , nukleony są częściowo zdelokalizowane i organizują się zgodnie z prawami chromodynamiki kwantowej .

W chemicznych i fizycznych , A nukleon jest albo protonów lub neutronowe , uznane w roli elementu składowego jądra atomowego . Liczba nukleony w jądrze określa izotopu „s liczbę masową (numer nukleon) .

Do lat 60. uważano, że nukleony są cząstkami elementarnymi , a nie mniejszymi częściami. Obecnie wiadomo, że są to cząstki złożone, złożone z trzech kwarków połączonych ze sobą oddziaływaniem silnym . Oddziaływanie między dwoma lub więcej nukleonami nazywa się interakcją międzynukleonową lub siłą jądrową , która jest również ostatecznie spowodowana oddziaływaniem silnym. (Przed odkryciem kwarków termin „oddziaływanie silne” odnosił się tylko do oddziaływań międzynukleonowych.)

Nukleony znajdują się na granicy, na której nakładają się fizyka cząstek elementarnych i fizyka jądrowa . Fizyka cząstek, a zwłaszcza chromodynamika kwantowa , dostarcza podstawowych równań opisujących właściwości kwarków i oddziaływania silnego. Równania te opisują ilościowo, w jaki sposób kwarki mogą łączyć się w protony i neutrony (i wszystkie inne hadrony ). Jednakże, gdy wiele nukleonów jest połączonych w jądro atomowe ( nuklid ), te podstawowe równania stają się zbyt trudne do bezpośredniego rozwiązania (patrz kratowa QCD ). Zamiast tego nuklidy są badane w fizyce jądrowej , która bada nukleony i ich interakcje za pomocą przybliżeń i modeli, takich jak model powłoki jądrowej . Modele te mogą z powodzeniem opisywać właściwości nuklidów, na przykład to, czy dany nuklid ulega rozpadowi radioaktywnemu .

Proton i neutron są w schemacie kategorii będących jednocześnie fermionami , hadronami i barionami . Proton ma dodatni ładunek netto , a neutron ma zerowy ładunek netto; masa protonu jest tylko o 0,13% mniejsza niż masa neutronu. Można je zatem traktować jako dwa stany tego samego nukleonu i razem tworzą dublet izospinowy ( I = 1/2). W przestrzeni izospinowej neutrony mogą być przekształcane w protony i odwrotnie, dzięki symetrii SU(2) . Na nukleony te oddziałuje jednakowo oddziaływanie silne, które jest niezmienne podczas rotacji w przestrzeni izospinowej. Zgodnie z twierdzeniem Noether , izospina jest zachowana w odniesieniu do oddziaływania silnego.

Przegląd

Nieruchomości

Skład kwarkowy nukleonu
Proton
proton (
P
):
ty

ty

D
Neutron
Neutron (
n
):
ty

D

D
Antyproton
Antyproton (
P
):
ty

ty

D
Antyneutron
Antyneutron (
n
):
ty

D

D
Proton (p) składa się z dwóch kwarków górnych (u) i jednego dolnego (d): uud. Neutron (n) ma jeden kwark górny (u) i dwa kwarki dolne (d): udd. Antyprotonu (
P
) ma dwa górne antykwarki (
ty
) i jeden antykwark dolny (
D
):
ty

ty

D
. Antyneutron (
n
) ma jeden antykwark w górę (
ty
) i dwa antykwarki dolne (
D
):
ty

D

D
. Ładowania kolor ( przypisanie kolor ) poszczególnych kwarkach jest dowolna, lecz wszystkie trzy kolory (czerwony, zielony, niebieski) musi być obecny.

Protony i neutrony są najlepiej znane w roli nukleonów, czyli składników jąder atomowych, ale istnieją również jako cząstki swobodne. Swobodne neutrony są niestabilne, mają okres półtrwania około 13 minut, ale mają ważne zastosowania (patrz promieniowanie neutronowe i rozpraszanie neutronów ). Protony niezwiązane z innymi nukleonami to jądra atomów wodoru związane z elektronem lub – jeśli nie są z niczym związane – to jony lub promienie kosmiczne.

Zarówno proton, jak i neutron są cząstkami złożonymi , co oznacza, że ​​każda z nich składa się z mniejszych części, mianowicie trzech kwarków każda; chociaż kiedyś tak uważano, nie jest też cząstką elementarną . Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego , podczas gdy neutron ma jeden kwark górny i dwa kwarki dolne. Kwarki są utrzymywane razem przez oddziaływanie silne lub równoważnie przez gluony , które pośredniczą w oddziaływaniu silnym na poziomie kwarków.

Kwark górny ma ładunek elektryczny ++2/3 e , a kwark dolny ma ładunek+1/3 e , więc zsumowane ładunki elektryczne protonu i neutronu wynoszą odpowiednio + e i 0. Zatem neutron ma ładunek 0 (zero), a zatem jest elektrycznie obojętny; w rzeczywistości termin „neutron” pochodzi od faktu, że neutron jest elektrycznie obojętny.

Masy protonu i neutronu są podobne: dla protonu jest to 1,6726 × 10 -27  kg (938,27  MeV/ c 2 ), podczas gdy dla neutronu jest to1,6749 × 10 -27  kg (939,57  MeV/ c 2 ); neutron jest cięższy o około 0,13%. Podobieństwo masy można z grubsza wyjaśnić niewielką różnicą mas kwarków górnych i dolnych, z których składają się nukleony. Jednak szczegółowy opis pozostaje nierozwiązanym problemem w fizyce cząstek elementarnych.

Spinu nukleonu jest1/2co oznacza, że ​​są to fermiony i podobnie jak elektrony podlegają zasadzie wykluczenia Pauliego : nie więcej niż jeden nukleon, np. w jądrze atomowym, może zajmować ten sam stan kwantowy .

W izospinowych i wirowania kwantowe numery nukleon ma dwa stany każda, w wyniku czterech kombinacji w sumie. Cząstek alfa składa się z czterech nukleony zajmują wszystkie cztery kombinacje, to znaczy, że składa się z dwóch protonów (o przeciwnej wirowanie ) i dwóch neutronów (również o przeciwnych wirowania) i jej siatka spin jądrowy jest zerowy. W większych jądrach składowych nukleony, przez wykluczenie Pauliego, są zmuszone do ruchu względnego , co może również przyczyniać się do spinu jądrowego poprzez orbitalną liczbę kwantową . Rozprzestrzeniły się na powłoki jądrowe analogiczne do powłok elektronowych znanych z chemii.

Moment magnetyczny protonu, oznaczoną | j p jest2,79  μ N (gdzie μ N oznacza atomową skalę jednostkę miary zwany magneton jądrowego ). Moment magnetyczny neutronu wynosi μ n =-1,91  μ N . Parametry te są również ważne w skanowaniu NMR/MRI .

Stabilność

Neutron w stanie swobodnym jest niestabilną cząstką, której okres półtrwania wynosi około dziesięciu minut. Podlega
β
rozpad
(rodzaj rozpadu radioaktywnego ) poprzez przekształcenie się w proton podczas emitowania elektronu i antyneutrina elektronowego . (Zobacz artykuł Neutron, aby uzyskać więcej informacji na temat rozpadu neutronów.) Uważa się, że sam proton jest stabilny, a przynajmniej jego czas życia jest zbyt długi, aby go zmierzyć. Jest to ważna dyskusja w fizyce cząstek elementarnych (patrz Rozpad protonu ).

Z drugiej strony, w jądrze połączone protony i neutrony (nukleony) mogą być stabilne lub niestabilne w zależności od nuklidu lub rodzaju jądra. Wewnątrz niektórych nuklidów neutron może przekształcić się w proton (produkując inne cząstki), jak opisano powyżej; odwrotność może się zdarzyć wewnątrz innych nuklidów, gdzie proton zamienia się w neutron (produkujący inne cząstki) poprzez
β+
rozpad
lub wychwytywanie elektronów . A wewnątrz jeszcze innych nuklidów zarówno protony, jak i neutrony są stabilne i nie zmieniają formy.

Antynukleony

Obydwa nukleony mają odpowiadające sobie antycząstki : antyproton i antyneutron , które mają taką samą masę i przeciwny ładunek jak odpowiednio proton i neutron i oddziałują w ten sam sposób. (Jest to na ogół uważa się, że dokładnie to prawda, ze względu na Symetria CPT . Jeśli istnieje różnica jest zbyt mała, aby zmierzyć we wszystkich doświadczeniach do tej pory). W szczególności, antinucleons może wiązać się z „antinucleus”. Do tej pory naukowcy stworzyli jądra antydeuteru i antyhelu-3.

Tabele szczegółowych właściwości

Nukleony

Nukleony ( I =1/2; S = C = B = 0)

Nazwa cząstki
Symbol
Zawartość kwarków
Masa ja 3 J P Q Moment magnetyczny ( μ N ) Średnia żywotność Często rozpada się do
proton
P
/
P+
/
n+

ty

ty

D
938.272 013 (23)  MeV/ c 2 1.007 276 466 77 (10)  Da +1/2 1/2+ +1  e 2.792 847 356 (23) stabilny nie zauważony
neutron
n
/
n0
/
n0

ty

D

D
939,565 346 (23)  MeV/ c 2 1.008 664 915 97 (43)  Da +1/2 1/2+ e -1,913 042 73 (45) 885,7 (8),  a
P
+
mi
+
ν
mi
antyproton
P
/
P
/
n

ty

ty

D
938.272 013 (23)  MeV/ c 2 1.007 276 466 77 (10)  Da +1/2 1/2+ -1  e −2,793(6) stabilny nie zauważony
antyneutron
n
/
n0
/
n0

ty

D

D
939,485(51)  MeV/ c 2 1.008 664 915 97 (43)  Da ++1/2 1/2+ e ? 885,7 (8),  a
P
+
mi+
+
ν
mi

^a Masy protonu i neutronu są znane z dużo większą dokładnością wdaltonach(Da) niż w MeV/c2ze względu na sposób ich zdefiniowania. Zastosowany współczynnik konwersji to 1 Da = 931.494 028 (23) MeV/ c 2 .

^b Co najmniej 1035lat. Zobaczrozpad protonu.

^c Dlawolnych neutronów; w większości powszechnych jąder neutrony są stabilne.

Zakłada się, że masy ich antycząstek są identyczne i jak dotąd żadne eksperymenty nie obaliły tego. Obecne eksperymenty pokazują, że jakakolwiek względna różnica między masami protonu i antyprotonu musi być mniejsza niż2 x 10 -9 , a różnica pomiędzy neutronowe antyneutron mas jest rzędu(9 ± 6) x 10 -5  MeV / C 2 .

Testy niezmienności protonowo-antyprotonowej CPT
Test Formuła Wynik PDG
Masa <2 x 10 -9
Stosunek ładunku do masy 0,999 999 999 91 (9)
Stosunek ładunku do masy do masy (-9 ± 9) × 10 -11
Opłata <2 x 10 -9
Ładunek elektronu <1 x 10 -21
Moment magnetyczny (-0,1 ± 2,1) × 10 -3

Rezonanse nukleonowe

Rezonanse nukleonowe to wzbudzone stany cząstek nukleonowych, często odpowiadające jednemu z kwarków o odwróconym obrocie lub o innym orbitalnym momencie pędu, gdy cząstka się rozpada. W tej tabeli uwzględniono tylko rezonanse z oceną 3 lub 4 gwiazdek w grupie danych cząstek (PDG). Ze względu na ich niezwykle krótkie czasy życia, wiele właściwości tych cząstek jest nadal przedmiotem badań.

Format symbolu jest podany jako N( m ) L IJ , gdzie m jest przybliżoną masą cząstki, L jest orbitalnym momentem pędu (w zapisie spektroskopowym ) pary nukleon-mezon, wytworzonym podczas rozpadu, a I i J są odpowiednio izospin i całkowity moment pędu cząstki . Ponieważ nukleony są zdefiniowane jako posiadające1/2isospin, pierwsza cyfra zawsze będzie równa 1, a druga cyfra zawsze będzie nieparzysta. Przy omawianiu rezonansów nukleonowych czasami pomija się N i odwraca kolejność, w postaci L IJ ( m ); Na przykład, protonowej mogą być oznaczone jako "N (939) S 11 " lub "S 11 (939)."

Poniższa tabela zawiera tylko rezonans podstawowy; każdy pojedynczy wpis reprezentuje 4  bariony : 2 cząstki rezonansu nukleonowego i ich 2 antycząstki. Każdy rezonans istnieje w postaci o dodatnim ładunku elektrycznym ( Q ), o składzie kwarkowym
ty

ty

D
jak proton i neutralna forma, o składzie kwarkowym
ty

D

D
jak neutron, jak również odpowiadające im antycząstki o składzie antykwarkowym
ty

ty

D
oraz
ty

D

D
odpowiednio. Ponieważ zawierają one żadnego dziwnego , urok , dno lub górne kwarki, cząstki te nie posiadają dziwność , etc.

W tabeli wymieniono tylko rezonanse z izospinem =1/2. Dla rezonansów z izospinem =3/2zobacz artykuł o barionach delty .

Rezonanse nukleonowe z I =1/2
Symbol  J P  PDG Masa średnia
( MeV / C 2 )
Pełna szerokość
(MeV / C 2 )
Pozycja bieguna
(rzeczywista część)
Pozycja bieguna
(−2 × część urojona)
Wspólne rozpady
i / Γ > 50%)
N(939) P 11
1/2+ 939 ja ja ja ja
N(1440) P 11

( rezonans Ropera )
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
N(1535) S 11
1/2 1535
(1525-1545)
150
(125–175)
1510
(1490-1530)
170
(90–250)

n
+
π
lub


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
lub


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) P 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
lub


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

n
+
π
(10—20%)
N(2220) H 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%)

† Nukleon P 11 (939) reprezentuje stan wzbudzony normalnego protonu lub neutronu. Taka cząstka może być stabilna w jądrze atomowym, np. w litie-6 .

Klasyfikacja modelu kwarka

W modelu kwarkowym ze smakiem SU(2) dwa nukleony są częścią dubletu stanu podstawowego. Proton ma zawartość kwarków uud , a neutron udd . W smaku SU(3) są one częścią oktetu stanu podstawowego ( 8 ) spinu -1/2 bariony , znane jako Ośmioraka Droga . Pozostali członkowie tego oktetu to dziwna izotryplet hiperonów
Σ+
,
Σ0
,
Σ
, ten
Λ
i dziwny izodublet
Ξ0
,
Ξ
. Można rozszerzyć ten multiplet w smaku SU(4) (z włączeniem kwarka powabnego ) do stanu podstawowego 20- plet, lub do smaku SU(6) (z włączeniem kwarków górnego i dolnego ) do ziemi -state 56 -plet.

Artykuł dotyczący izospiny dostarcza wyraźnego wyrażenia dla funkcji falowych nukleonu w postaci stanów własnych o smaku kwarkowym.

Modele

Chociaż wiadomo, że nukleon składa się z trzech kwarków, od 2006 r. nie wiadomo, jak rozwiązać równania ruchu dla chromodynamiki kwantowej . W związku z tym badania niskoenergetycznych właściwości nukleonu prowadzone są za pomocą modeli. Jedynym dostępnym podejściem opartym na pierwszych zasadach jest próba numerycznego rozwiązania równań QCD przy użyciu kratowej QCD . Wymaga to skomplikowanych algorytmów i bardzo potężnych superkomputerów . Istnieje jednak również kilka modeli analitycznych:

Modele Skyrmiona

W skyrmion modele nukleonu jako topologicznej solitonu w nieliniowym SU (2) pion dziedzinie. Stabilność topologiczna skyrmionu jest interpretowana jako zachowanie liczby barionowej , czyli nierozpad nukleonu. Lokalna gęstość topologicznej liczby uzwojeń jest identyfikowana z lokalną gęstością liczby barionowej nukleonu. Z polem wektorowym izospinowym pionu zorientowanym w kształcie przestrzeni jeża , model jest łatwo rozwiązywalny i dlatego jest czasami nazywany modelem jeża . Model jeża jest w stanie przewidzieć parametry niskoenergetyczne, takie jak masa nukleonu, promień i stała sprzężenia osiowego do około 30% wartości eksperymentalnych.

Model torby MIT

Model worka MIT ogranicza kwarki i gluony oddziałujące poprzez chromodynamikę kwantową do obszaru przestrzeni wyznaczonego przez zrównoważenie ciśnienia wywieranego przez kwarki i gluony z hipotetycznym ciśnieniem wywieranym przez próżnię na wszystkie kolorowe pola kwantowe. Najprostsze przybliżenie do modelu ogranicza trzy nieoddziałujące kwarki do kulistej wnęki, z warunkiem brzegowym, że prąd wektora kwarków zanika na granicy. Nieoddziałujące traktowanie kwarków jest uzasadnione odwołaniem się do idei asymptotycznej swobody , podczas gdy warunek twardej granicy jest uzasadniony uwięzieniem kwarków .

Matematycznie model przypomina nieco model wnęki radaru , gdzie rozwiązania równania Diraca zastępują rozwiązania równań Maxwella , a warunek brzegowy zanikającego prądu wektora oznacza przewodzące metalowe ścianki wnęki radaru. Jeśli promień torebki jest ustawiony na promień nukleonu, model torebki przewiduje masę nukleonu w granicach 30% rzeczywistej masy.

Chociaż podstawowy model worka nie zapewnia oddziaływania za pośrednictwem pionów, doskonale opisuje on siły nukleon-nukleon w mechanizmie kanału s worka 6 kwarków przy użyciu macierzy P.

Model torby chiralnej

Model torebki chiralnej łączy model torebki MIT i model skyrmion . W tym modelu ze środka skyrmiona wybito otwór i zastąpiono go modelem torby. Warunek brzegowy jest zapewniony przez wymóg ciągłości osiowego prądu wektora na granicy worka.

Co ciekawe, brakująca część topologicznej liczby uzwojeń (liczby barionowej) dziury wybitej w skyrmionie jest dokładnie uzupełniona niezerową oczekiwaną wartością próżni (lub asymetrią widmową ) pól kwarkowych wewnątrz worka. Od 2017 roku ten niezwykły kompromis między topologią a spektrum operatora nie ma żadnego uzasadnienia ani wyjaśnienia w matematycznej teorii przestrzeni Hilberta i ich związku z geometrią .

Godnych uwagi jest kilka innych właściwości worka chiralnego: Zapewnia lepsze dopasowanie do właściwości nukleonu o niskiej energii, w granicach 5–10%, i są one prawie całkowicie niezależne od promienia worka chiralnego, o ile promień jest mniejszy niż promień nukleonu. Ta niezależność od promienia określa się jako zasadę Cheshire Cat , po zaniku Lewis Carroll „s Cheshire Cat , aby tylko jej uśmiech. Oczekuje się, że rozwiązanie równań QCD z pierwszej zasady wykaże podobną dwoistość opisów kwark–pion.

Zobacz też

Przypisy

Bibliografia

Listy cząstek

Dalsza lektura