В мозгу находиться нейроны электроны. Основные характеристики протона, нейтрона и электрона

Cтраница 1

Заряд нейтрона равен нулю. Следовательно, нейтроны не играют роли в величине заряда ядра атома. Этой же величине равен и порядковый номер хрома.  

Заряд протона qp e Заряд нейтрона равен нулю.  

Легко увидеть, что при этом заряд нейтрона равен нулю, а протона 1, как и полагается. Получаются все барионы, входящие в два семейства - восьмерку и десятку. Мезоны состоят из кварка и антикварка. Чертой обозначаются антикварки; их электрический заряд отличается знаком от заряда соответствующего кварка. В пи-мезон странный кварк не входит, пи-мезоны, как мы уже говорили, - частицы со странностью и спином, равными нулю.  

Так как заряд протона равен заряду электрона и заряд нейтрона равен пулю, то если выключить сильный взаимодействия, взаимодействие протона с электромагнитным полем А будет обычным взаимодействием дираковской частицы - Yp / V У нейтрона же электромагнитное взаимодействие отсутствовало бы.  

Обозначения: 67 - разность зарядов электрона и протона; q - заряд нейтрона; qg - абсолютная величина заряда электрона.  

Ядро состоит из заряженных положительно элементарных частиц - протонов и не несущих заряда нейтронов.  

В основу современных представлений о строении материи положено утверждение о существовании атомов вещества, состоящих из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов, образующих положительно заряженное ядро, и отрицательно заряженных вращающихся вокруг ядра электронов. Энергетические уровни электронов, согласно этой теории, носят дискретный характер, а потеря или приобретение ими некоторой дополнительной энергии рассматривается как переход с одного разрешенного энергетического уровня на другой. При этом дискретный характер энергетических электронных уровней становится причиной такого же дискретного поглощения или излучения электроном энергии при переходе с одного энергетического уровня на другой.  

Мы принимали, что заряд атома или молекулы полностью определяется скалярной суммой q Z (q Nqn, где Z - число пар электрон - протон, (q qp - qe - разность зарядов электрона и протона, Л - число нейтронов, a qn - заряд нейтрона.  

Заряд ядра определяется только числом протонов Z, а его массовое число А совпадает с полным числом протонов и нейтронов. Поскольку заряд нейтрона равен нулю, электрическое взаимодействие по закону Кулона между двумя нейтронами, а также между протоном и нейтроном отсутствует. В то же время между двумя протонами действует электрическая сила отталкивания.  

Далее, в пределах точности измерений, ни разу не был зарегистрирован ни один процесс столкновения, при котором не соблюдался бы закон сохранения заряда. Например, неотклоняемость нейтронов в однородных электрических полях позволяет рассматривать заряд нейтрона как равный нулю с точностью до 1 (Н7 заряда электрона.  

Мы уже говорили, что отличие магнитного момента протона от одного ядерного магнетона является удивительным результатом. Еще более удивительным (Представляется существование магнитного момента у не имеющего заряда нейтрона.  

Легко убедиться в том, что эти силы не сводятся ни к одному из типов сил, рассмотренных в предыдущих частях курса физики. В самом деле, если предположить, например, что между нуклонами в ядрах действуют гравитационные силы, то легко подсчитать по известным массам протона и нейтрона, что энергия связи на одну частицу окажется ничтожной - она будет в 1036 раз меньше той, которая наблюдается экспериментально. Отпадает также и предположение об электрическом характере ядерных сил. Действительно, в этом случае невозможно представить себе устойчивого ядра, состоящего из одного заряженного протона и не имеющего заряда нейтрона.  

Прочная связь, существующая между нуклонами в ядре, свидетельствует о наличии в атомных ядрах особых, так называемых ядерных сил. Легко убедиться в том, что эти силы не сводятся ни к одному из типов сил, рассмотренных в предыдущих частях курса физики. В самом деле, если предположить, например, что между нуклонами в ядрах действуют гравитационные силы, то легко подсчитать по известным массам протона и нейтрона, что энергия связи на одну частицу окажется ничтожной - она будет в 1038 раз меньше той, которая наблюдается экспериментально. Отпадает также и предположение об электрическом характере ядерных сил. Действительно, в этом случае невозможно представить себе устойчивого ядра, состоящего из одного заряженного протона и не имеющего заряда нейтрона.  

Поговорим о том, как найти протоны, нейтроны и электроны. В атоме существует три вида элементарных частиц, причем у каждой есть свой элементарный заряд, масса.

Строение ядра

Для того чтобы понять, как найти протоны, нейтроны и электроны, представим Оно является основной частью атома. Внутри ядра располагаются протоны и нейтроны, именуемые нуклонами. Внутри ядра эти частицы могут переходить друг в друга.

Например, чтобы найти протоны, нейтроны и электроны в необходимо знать его порядковый номер. Если учесть, что именно этот элемент возглавляет периодическую систему, то в его ядре содержится один протон.

Диаметр атомного ядра составляет десятитысячную долю всего размера атома. В нем сосредоточена основная масса всего атома. По массе ядро превышает в тысячи раз сумму всех электронов, имеющихся в атоме.

Характеристика частиц

Рассмотрим, как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме, и узнаем об их особенностях. Протон - это которая соответствует ядру атома водорода. Его масса превышает электрон в 1836 раз. Для определения единицы электричества, проходящего через проводник с заданным поперечным сечением, используют электрический заряд.

У каждого атома в ядре располагается определенное количество протонов. Оно является постоянной величиной, характеризует химические и физические свойства данного элемента.

Как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме углерода? Порядковый номер данного химического элемента 6, следовательно, в ядре содержится шесть протонов. Согласно планетарной вокруг ядра по орбитам движется шесть электронов. Для определения количество нейтронов из значения углерода (12) вычитаем количество протонов (6), получаем шесть нейтронов.

Для атома железа число протонов соответствует 26, то есть этот элемент имеет 26-й порядковый номер в таблице Менделеева.

Нейтрон является электрически нейтральной частицей, нестабильной в свободном состоянии. Нейтрон способен самопроизвольно превращаться в положительно заряженный протон, испуская при этом антинейтрино и электрон. Средний период его полураспада составляет 12 минут. Массовое число - это суммарное значение количества протонов и нейтронов внутри ядра атома. Попробуем выяснить, как найти протоны, нейтроны и электроны в ионе? Если атом во время химического взаимодействия с другим элементом приобретает положительную степень окисления, то число протонов и нейтронов в нем не изменяется, меньше становится только электронов.

Заключение

Существовало несколько теорий, касающихся строения атома, но ни одна из них не была жизнеспособной. До версии, созданной Резерфордом, не было детального пояснения о расположении внутри ядра протонов и нейтронов, а также о вращении по круговым орбитам электронов. После появления теории планетарного строения атома у исследователей появилась возможность не только определять количество элементарных частиц в атоме, но и предсказывать физические и химические свойства конкретного химического элемента.

Протон -- стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.

Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906--1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах?-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами -- глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия -- протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами (от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (?, ?, ?, ?) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число -- барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 -- для антибарионов и О -- для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной (~ 2*1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030 протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.

Нейтрон -- нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в сильных электрических полях, показавшими, что |qn| <10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.

Нейтроны устойчивы лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон -- нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ?14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.

По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует mn ~ 1,6-10-24.Нейтрон участвует во всех видах фундаментальных взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия -- бета-распад нейтрона.

Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного электрического момента нейтрона, для которого была получена верхняя граница. Здесь самые эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института ядерной физики АН СССР; поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.

Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.

Сейчас принята условная классификация нейтронов по их кинетической энергии:

медленные нейтроны (<105эВ, есть много их разновидностей),

быстрые нейтроны (105?108эВ), высокоэнергичные (> 108эВ).

Весьма интересными свойствами обладают очень медленные нейтроны(10-7эВ), которые получили название ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении. С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стенок и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Это позволяет проводить многие тонкие эксперименты по изучению свойств нейтронов. Другой метод хранения ультрахолодных нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., и первые результаты были получены в Дубне в институте ядерных исследований спустя почти десятилетие.

Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.

Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.

Многим со школы хорошо известно, что все вещества состоял из атомы. Атомы в свою очередь состоят из протонов и нейтронов образующих ядро атомы и электронов, расположенных на некотором расстоянии от ядра. Многие также слышали, что свет тоже состоит из частиц – фотонов. Однако на этом мир частиц не ограничивается. На сегодняшний день известно более 400 различных элементарных частиц. Попробуем понять, чем элементарные частицы отличаются друг от друга.

Существует множество параметров, по которым можно отличить элементарные частицы друг от друга:

• Масса.
• Электрический заряд.
• Время жизни. Почти все элементарные частицы имеют конечное время жизни по истечении которого они распадаются.
• Спин. Его можно, весьма приближенно считать как вращательный момент.

Еще несколько параметров, или как их принято называть в науке квантовых чисел. Эти параметры не всегда имеют понятный физический смысл, но они нужны для того, чтобы отличать одни частицы от других. Все эти дополнительные параметры введены как некоторые величины, сохраняющиеся во взаимодействии.

Массой обладают почти все частицы, кроме фотоны и нейтрино (по последним данным нейтрино обладают массой, но столь малой, что часто ее считают нулем). Без массовые частицы могут существуют только в движении. Масса у всех частиц различна. Минимальной массой, не считая нейтрино, обладает электрон. Частицы, которые называются мезонами обладают массой в 300-400 раз большей массы электрона, протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее электрона. Сейчас уже открыты частицы, которые почти в 100 раз тяжелее протона. Масса,(или ее энергетический эквивалент по формуле Эйнштейна:

сохраняется во всех взаимодействиях элементарных частиц.

Электрическим зарядом обладают не все частицы, а значит что не все частицы способны участвовать в электромагнитном взаимодействии. У всех свободно существующих частиц электрический заряд кратен заряду электрона. Кроме свободно существующих частиц существуют также частицы, находящие только в связанном состоянии, о них мы скажем чуть позже.

Спин, как и другие квантовые числа у различных частиц различны и характеризуют их уникальность. Некоторые квантовые числа сохраняются в одних взаимодействиях, некоторые в других. Все эти квантовые числа определяют то, какие частицы взаимодействуют с какими и как.

Время жизни также очень важная характеристика частицы и ее мы рассмотрим наиболее подробно. Начнем с замечания. Как мы уже сказали в начале статьи – все что нас окружает состоит из атомов (электронов, протонов и нейтронов) и света (фотонов). А где же тогда еще сотни различных видов элементарных частиц. Ответ прост – всюду вокруг нас, но мы из не замечаем по двум причинам.

Первая из них – почти все остальные частицы живут очень мало, примерно 10 в минус 10 степени секунд и меньше, и потому не образовывают таких структур как атомы, кристаллические решетки и т.п. Вторая причина касается нейтрино, эти частицы хоть и не распадаются, но они подвержены только слабому и гравитационному взаимодействию. Это значит, что эти частицы взаимодействуют на столько незначительно, что обнаружить из почти невозможно.

Представим наглядно в чем выражается то, на сколько частица хорошо взаимодействуем. Например поток электронов можно остановить довольно тонким листом стали, порядка нескольких миллиметров. Это произойдет потому, что электроны сразу начнут взаимодействовать с частицами листа стали, будут резко менять свой направления, излучать фотоны, и таким образом довольно быстро потеряют энергию. С потоком нейтрино все не так, они почти без взаимодействий могут пройти насквозь Земного Шара. И потому обнаружить их очень тяжело.

Итак, большинство частиц живут очень короткое время, по истечении которого она распадаются. Распады частиц- наиболее часто встречающиеся реакции. В результате распада одна частица распадается на несколько других меньшей массы, а те в свою очередь распадаются дальше. Все распады подчиняются определенным правилам – законам сохранения. Так, например, в результате распада должен сохраняться электрический заряд, масса, спин и еще ряд квантовых чисел. Некоторые квантовые числа в ходе распада могут меняться, но тоже подчиняясь определенным правилам. Именно правила распада говорят нам о том, что электрон и протон это стабильные частицы. Они уже не могут распадаются подчиняясь правилам распада, и потому именно ими заканчиваются цепочки распада.

Здесь хочется сказать несколько слов о нейтроне. Свободный нейтрон тоже распадается, на протон и электрон примерно за 15 минут. Однако когда нейтрон находится в атомном ядре это не происходит. Этот факт можно объяснить различными способами. Например так, когда в ядре атома появляется электрон и лишний протон от распавшегося нейтрона, то тут же происходит обратная реакция – один из протонов поглощает электрон и превращается в нейтрон. Такая картина называется динамическим равновесием. Она наблюдалась в вселенной на ранней стадии ее развития вскоре после большого взрыва.

Кроме реакций распада есть еще реакции рассеяния – когда две или более частиц вступают во взаимодействие одновременно, и в результате получается одна или несколько других частиц. Также есть реакции поглощение, когда из двух или более частиц получается одна. Все реакции происходят в результате сильного слабого или электромагнитного взаимодействия. Реакции идущие за счет сильного взаимодействия идут быстрее всего, время такой реакции может достигать 10 в минус 20 секунды. Скорость реакций идущих за счет электромагнитного взаимодействия ниже, тут время может быть порядка 10 в минус 8 секунды. Для реакций слабого взаимодействия время может достигать десятков секунд а иногда и годы.

В завершении рассказа про частицы расскажем про кварки. Кварки – это элементарные частицы, имеющие электрический заряд кратный трети заряда электрона и которые не могут существовать в свободном состоянии. Их Взаимодействие устроено так, что они могут жить только в составе чего либо. Например комбинация из трех кварков определенного типа образуют протон. Другая комбинация дает нейтрон. Всего известно 6 кварков. Их различные комбинации дают нам разные частицы, и хотя далеко не все комбинации кварков разрешены физическими законами, частиц, составленных из кварков довольно много.

Здесь может возникнуть вопрос, как можно протон называть элементарным если он состоит из кварков. Очень просто – протон элементарен, так как его невозможно расщепить на составные части – кварки. Все частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии состоят из кварков, и при этом являются элементарными.

Понимание взаимодействий элементарных частиц очень важно для понимания устройства вселенной. Все что происходит с макро телами есть результат взаимодействия частиц. Именно взаимодействием частиц описываются рост деревьев на земле, реакции в недрах звезд, излучение нейтронных звезд и многое другое.

• Перевод

В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.

Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:

• 0,93827 ГэВ/с 2 у протона,
• 0,93957 ГэВ/с 2 у нейтрона.

Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.

Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.

Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые , но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье "Что такое протон, и что у него внутри? ", что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.

Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от "квантовая хромодинамика ". Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:

• У простых уравнений могут оказаться очень сложные решения,
• Иногда невозможно описать сложные решения простым способом.

Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.

Первый уровень понимания

Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего

Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.

Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.

Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне

Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.

Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в : протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.

Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов

Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).

Что у этих трёх описаний общего:

• Два верхних кварка и нижний кварк (плюс что-то ещё) у протона.
• Один верхний кварк и два нижних кварка (плюс ещё что-то) у нейтрона.
• «Ещё что-то» у нейтронов совпадает с «ещё чем-то» у протонов. То есть, у нуклонов «ещё что-то» одинаковое.
• Небольшая разница в массе у протона и нейтрона появляется из-за разницы масс нижнего кварка и верхнего кварка.

• у верхних кварков электрический заряд равен 2/3 e (где e – заряд протона, -e – заряд электрона),
• у нижних кварков заряд равен -1/3e,
• у глюонов заряд 0,
• у любого кварка и соответствующего ему антикварка общий заряд равен 0 (к примеру, у антинижнего кварка заряд +1/3e, так что у нижнего кварка и нижнего антикварка заряд будет –1/3 e +1/3 e = 0),

• общий электрический заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• общий электрический заряд нейтрона 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

• сколько «ещё чего-то» внутри нуклона,
• что оно там делает,
• откуда берутся масса и энергия массы (E = mc 2 , энергия, присутствующая там, даже когда частица покоится) нуклона.

Рис. 1 говорит о том, что кварки, по сути, представляют собой треть нуклона – примерно так, как протон или нейтрон представляют четверть ядра гелия или 1/12 ядра углерода. Если бы этот рисунок был правдив, кварки в нуклоне двигались бы относительно медленно (со скоростями гораздо меньшими световой) с относительно слабыми взаимодействиями, действующими между ними (хотя и при наличии некоей мощной силы, удерживающей их на месте). Масса кварка, верхнего и нижнего, составляла бы тогда порядка 0,3 ГэВ/с 2 , примерно треть массы протона. Но это простое изображение и навязываемые им идеи просто неверны.

Рис. 3. даёт совершенно другое представление о протоне, как о котле частиц, снующих в нём со скоростями, близкими к световой. Эти частицы сталкиваются друг с другом, и в этих столкновениях некоторые из них аннигилируют, а другие создаются на их месте. Глюоны не имеют массы, массы верхних кварков составляют порядка 0,004 ГэВ/с 2 , а нижних – порядка 0,008 ГэВ/с 2 - в сотни раз меньше протона. Откуда берётся энергия массы протона, вопрос сложный: часть её идёт от энергии массы кварков и антикварков, часть – от энергии движения кварков, антикварков и глюонов, а часть (возможно, положительная, возможно, отрицательная) из энергии, хранящейся в сильном ядерном взаимодействии, удерживающем кварки, антикварки и глюоны вместе.

В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.

У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона . Те же проблемы есть и у рис. 2.

Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.

Стоит отметить, что чрезвычайную сложность строения, подразумеваемая рис. 3, стоило ожидать от объекта, который удерживает вместе такая мощная сила, как сильное ядерное взаимодействие. И ещё одно: три кварка (два верхних и один нижний у протона), не являющиеся частью группы пар кварков-антикварков, часто называют «валентными кварками», а пары кварков-антикварков – «морем кварковых пар». Такой язык во многих случаях технически удобен. Но он даёт ложное впечатление того, что если бы вы смогли заглянуть внутрь протона, и посмотрели на определённый кварк, вы сразу смогли бы сказать, является ли он частью моря или валентным. Этого сделать нельзя, такого способа просто нет.

Масса протона и масса нейтрона

Рис. 1 говорит о том, что верхний и нижний кварки просто составляют по 1/3 от массы протона и нейтрона: порядка 0,313 ГэВ/с 2 , или из-за энергии, необходимой для удержания кварков в протоне. И поскольку разница между массами протона и нейтрона составляет долю процента, разница между массами верхнего и нижнего кварка тоже должна составлять долю процента.

Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.

Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.

Чтобы понять, как это работает, нужно думать не в терминах массы m протона, но в терминах его энергии массы E = mc 2 , энергии, связанной с массой. Концептуально правильным вопросом будет не «откуда взялась масса протона m», после которого вы можете подсчитать E, умножив m на c 2 , а наоборот: «откуда берётся энергия массы протона E», после которого можно подсчитать массу m, разделив E на c 2 .

Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:

А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.

Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.

Подводя итоги, укажем, что:

• Рис. 1 предполагает, что энергия массы протона происходит из вклада А).
• Рис. 2 предполагает, что важны оба вклада А) и В), и немного своей доли вносит Б).
• Рис. 3 предполагает, что важны Б) и В), а вклад А) оказывается незначительным.

Если рис. 3 не врёт, массы кварка и антикварка очень малы. Какие они на самом деле? Масса верхнего кварка (как и антикварка) не превышает 0,005 ГэВ/с 2 , что гораздо меньше, чем 0,313 ГэВ/с 2 , который следует из рис. 1. (Массу верхнего кварка тяжело измерить, и это значение меняется из-за тонких эффектов, так что она может оказаться гораздо меньшей, чем 0,005 ГэВ/с 2). Масса нижнего кварка примерно на 0,004 ГэВ/с 2 больше массы верхнего. Это значит, что масса любого кварка или антикварка не превышает одного процента массы протона.

Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.

Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.

На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.