Masa y carga del neutrón. Gran enciclopedia de petróleo y gas.

Es bien sabido por muchos de la escuela que toda la materia consiste en átomos. Los átomos, a su vez, están formados por protones y neutrones que forman el núcleo de los átomos y los electrones situados a cierta distancia del núcleo. Muchos también han escuchado que la luz también se compone de partículas: fotones. Sin embargo, el mundo de las partículas no se limita a esto. Hasta la fecha se conocen más de 400 partículas elementales diferentes. Tratemos de entender cómo las partículas elementales difieren entre sí.

Hay muchos parámetros por los cuales las partículas elementales se pueden distinguir entre sí:

• Peso.
• Carga eléctrica.
• Toda la vida. Casi todas las partículas elementales tienen un tiempo de vida finito después del cual se descomponen.
• Girar. Puede ser, muy aproximadamente, considerado como un momento de rotación.

Unos cuantos parámetros más, o como se les llama comúnmente en la ciencia de los números cuánticos. Estos parámetros no siempre tienen un significado físico claro, pero son necesarios para distinguir una partícula de otra. Todos estos parámetros adicionales se introducen como algunas cantidades que se conservan en la interacción.

Casi todas las partículas tienen masa, excepto los fotones y los neutrinos (según los últimos datos, los neutrinos tienen masa, pero tan pequeña que a menudo se considera cero). Sin masa, las partículas solo pueden existir en movimiento. La masa de todas las partículas es diferente. El electrón tiene la masa mínima, aparte del neutrino. Las partículas que se llaman mesones tienen una masa 300-400 veces mayor que la masa de un electrón, un protón y un neutrón son casi 2000 veces más pesados ​​que un electrón. Ya se han descubierto partículas que son casi 100 veces más pesadas que un protón. Masa, (o su energía equivalente según la fórmula de Einstein:

se conserva en todas las interacciones de las partículas elementales.

No todas las partículas tienen carga eléctrica, lo que significa que no todas las partículas pueden participar en la interacción electromagnética. Para todas las partículas que existen libremente, la carga eléctrica es un múltiplo de la carga del electrón. Además de las partículas que existen libremente, también hay partículas que solo están en un estado ligado, hablaremos de ellas un poco más adelante.

El espín, así como otros números cuánticos de diferentes partículas, son diferentes y caracterizan su singularidad. Algunos números cuánticos se conservan en algunas interacciones, algunos en otras. Todos estos números cuánticos determinan qué partículas interactúan con cuáles y cómo.

El tiempo de vida también es una característica muy importante de una partícula, y la consideraremos con más detalle. Comencemos con una nota. Como decíamos al principio del artículo, todo lo que nos rodea está formado por átomos (electrones, protones y neutrones) y luz (fotones). Y donde, entonces, hay cientos de tipos diferentes de partículas elementales. La respuesta es simple: en todas partes a nuestro alrededor, pero no nos damos cuenta por dos razones.

El primero de ellos es que casi todas las demás partículas viven muy poco, unos 10 a menos 10 segundos o menos, y por lo tanto no forman estructuras como átomos, celosías de cristal etcétera. La segunda razón se refiere a los neutrinos, aunque estas partículas no se descomponen, solo están sujetas a interacciones débiles y gravitatorias. Esto significa que estas partículas interactúan tan poco que es casi imposible detectarlas.

Visualicemos qué expresa qué tan bien interactúa la partícula. Por ejemplo, el flujo de electrones puede detenerse con una hoja de acero bastante delgada, del orden de unos pocos milímetros. Esto sucederá porque los electrones comenzarán a interactuar de inmediato con las partículas de la lámina de acero, cambiarán bruscamente su dirección, emitirán fotones y, por lo tanto, perderán energía con bastante rapidez. Todo está mal con el flujo de neutrinos, pueden pasar casi sin interacciones. globo terráqueo. Por eso es muy difícil encontrarlos.

Entonces, la mayoría de las partículas viven un tiempo muy corto, después del cual se descomponen. Las desintegraciones de partículas son las reacciones más comunes. Como resultado de la descomposición, una partícula se descompone en varias otras de menor masa y éstas, a su vez, se descomponen aún más. Todas las desintegraciones obedecen ciertas reglas: leyes de conservación. Entonces, por ejemplo, como resultado de la descomposición, se deben conservar una carga eléctrica, una masa, un espín y varios números cuánticos. Algunos números cuánticos pueden cambiar durante el decaimiento, pero también están sujetos a ciertas reglas. Son las reglas de descomposición las que nos dicen que el electrón y el protón son partículas estables. Ya no pueden decaer obedeciendo las reglas de la decadencia, y por lo tanto es con ellos que terminan las cadenas de la decadencia.

Aquí me gustaría decir algunas palabras sobre el neutrón. Un neutrón libre también se desintegra en un protón y un electrón en unos 15 minutos. Sin embargo, cuando el neutrón está en el núcleo atómico, esto no sucede. Este hecho se puede explicar diferentes caminos. Por ejemplo, cuando un electrón y un protón adicional de un neutrón decaído aparecen en el núcleo de un átomo, ocurre inmediatamente la reacción inversa: uno de los protones absorbe un electrón y se convierte en un neutrón. Esta imagen se llama equilibrio dinámico. Ella fue observada en el universo en Etapa temprana su desarrollo poco después del big bang.

Además de las reacciones de descomposición, también hay reacciones de dispersión, cuando dos o más partículas interactúan simultáneamente y el resultado es una o más partículas. También existen reacciones de absorción, cuando se obtiene una a partir de dos o más partículas. Todas las reacciones ocurren como resultado de una fuerte interacción débil o electromagnética. Las reacciones debidas a la fuerte interacción son las más rápidas, el tiempo de dicha reacción puede alcanzar de 10 a menos 20 segundos. La velocidad de las reacciones debidas a la interacción electromagnética es menor, aquí el tiempo puede ser de unos 10 a menos 8 segundos. Para reacciones de interacción débil, el tiempo puede alcanzar decenas de segundos y, a veces, incluso años.

Al final de la historia de las partículas, hablemos de los quarks. Los quarks son partículas elementales que tienen una carga eléctrica múltiplo de un tercio de la carga de un electrón y que no pueden existir en estado libre. Su interacción está organizada de tal manera que solo pueden vivir como parte de algo. Por ejemplo, una combinación de tres quarks de cierto tipo forman un protón. Otra combinación da un neutrón. Se conocen un total de 6 quarks. Sus diversas combinaciones nos dan diferentes partículas, y aunque no todas las combinaciones de quarks están permitidas por las leyes físicas, hay muchas partículas formadas por quarks.

Aquí puede surgir la pregunta, ¿cómo se puede llamar elemental a un protón si se compone de quarks? Muy simple: el protón es elemental, ya que no se puede dividir en sus componentes: los quarks. Todas las partículas que participan en la interacción fuerte están compuestas por quarks, y al mismo tiempo son elementales.

Comprender las interacciones de las partículas elementales es muy importante para comprender la estructura del universo. Todo lo que les sucede a los macrocuerpos es el resultado de la interacción de las partículas. Es la interacción de las partículas lo que describe el crecimiento de los árboles en la tierra, las reacciones en las profundidades de las estrellas, la radiación de las estrellas de neutrones y mucho más.

Página 1

La carga de neutrones es cero. En consecuencia, los neutrones no juegan un papel en la magnitud de la carga del núcleo de un átomo. El número de serie de cromo es igual al mismo valor.

La carga del protón qp e La carga del neutrón es igual a cero.

Es fácil ver que en este caso la carga del neutrón es cero y la del protón es 1, como se esperaba. Se obtienen todos los bariones incluidos en dos familias: el ocho y el diez. Los mesones están formados por un quark y un antiquark. La barra denota antiquarks; su carga eléctrica difiere en signo de la del quark correspondiente. Un quark extraño no entra en un pi-mesón, los pi-mesones, como ya hemos dicho, son partículas con extrañeza y espín igual a cero.

Dado que la carga del protón es igual a la carga del electrón y la carga del neutrón es igual a la bala, entonces si se desactiva la interacción fuerte, la interacción del protón con campo electromagnetico Y será la interacción habitual de la partícula de Dirac - Yp / V. El neutrón no tendría interacción electromagnética.

Designaciones: 67 - diferencia de carga entre electrón y protón; q es la carga de neutrones; qg es el valor absoluto de la carga del electrón.

El núcleo consta de partículas elementales cargadas positivamente: protones y neutrones que no tienen carga.

La base de las ideas modernas sobre la estructura de la materia es la afirmación de la existencia de átomos de materia, que consisten en protones con carga positiva y neutrones sin carga, que forman un núcleo con carga positiva y electrones con carga negativa que giran alrededor del núcleo. Los niveles de energía de los electrones, según esta teoría, son discretos, y la pérdida o adquisición de alguna energía adicional por parte de ellos se considera como una transición de un nivel de energía permitido a otro. En este caso, la naturaleza discreta de los niveles de energía electrónicos se convierte en la razón de la misma absorción o emisión discreta de energía por parte de un electrón durante la transición de un nivel de energía a otro.

Asumimos que la carga de un átomo o molécula está completamente determinada por la suma escalar q Z (q Nqn, donde Z es el número de pares electrón-protón, (q qp - qe es la diferencia en las cargas del electrón y el protón , N es el número de neutrones y qn es la carga del neutrón.

La carga nuclear está determinada únicamente por el número de protones Z, y su número de masa A coincide con el número total de protones y neutrones. Dado que la carga del neutrón es cero, no hay interacción eléctrica según la ley de Coulomb entre dos neutrones, y también entre un protón y un neutrón. Al mismo tiempo, una fuerza de repulsión eléctrica actúa entre los dos protones.

Además, dentro de los límites de la precisión de la medición, nunca se ha registrado un solo proceso de colisión en el que no se observara la ley de conservación de la carga. Por ejemplo, la rigidez de los neutrones en campos eléctricos uniformes permite considerar la carga del neutrón como igual a cero con una precisión de 1 (H7 de la carga del electrón.

Ya hemos dicho que la diferencia entre el momento magnético de un protón y el de un magnetón nuclear es un resultado asombroso. Aún más sorprendente (Parece que hay un momento magnético para un neutrón sin carga.

Es fácil ver que estas fuerzas no se reducen a ninguno de los tipos de fuerzas considerados en las partes anteriores del curso de física. De hecho, si asumimos, por ejemplo, que las fuerzas gravitatorias actúan entre los nucleones en los núcleos, entonces es fácil calcular a partir de las masas conocidas de protones y neutrones que la energía de enlace por partícula será insignificante: será 1036 veces menor que la observada. experimentalmente. La suposición sobre el carácter eléctrico también desaparece. fuerzas nucleares. De hecho, en este caso es imposible imaginar un núcleo estable formado por un único protón cargado y un neutrón sin carga.

El fuerte enlace que existe entre los nucleones en el núcleo indica la presencia en los núcleos atómicos de fuerzas especiales llamadas nucleares. Es fácil ver que estas fuerzas no se reducen a ninguno de los tipos de fuerzas considerados en las partes anteriores del curso de física. De hecho, si asumimos, por ejemplo, que las fuerzas gravitatorias actúan entre los nucleones en los núcleos, entonces es fácil calcular a partir de las masas conocidas del protón y el neutrón que la energía de enlace por partícula será insignificante: será 1038 veces menor que que se observa experimentalmente. La suposición sobre la naturaleza eléctrica de las fuerzas nucleares también desaparece. De hecho, en este caso es imposible imaginar un núcleo estable formado por un único protón cargado y un neutrón sin carga.

Un átomo es la partícula más pequeña. elemento químico, que conserva todo Propiedades químicas. Un átomo consiste en un núcleo cargado positivamente y electrones cargados negativamente. La carga del núcleo de cualquier elemento químico es igual al producto de Z por e, donde Z es el número de serie de este elemento en el sistema periódico de elementos químicos, e es el valor de la carga eléctrica elemental.

Electrón- es la partícula más pequeña de una sustancia con carga eléctrica negativa e=1,6·10 -19 culombios, tomada como carga eléctrica elemental. Los electrones, que giran alrededor del núcleo, se ubican en las capas de electrones K, L, M, etc. K es la capa más cercana al núcleo. El tamaño de un átomo está determinado por el tamaño de su capa de electrones. Un átomo puede perder electrones y convertirse en un ion positivo, o ganar electrones y convertirse en un ion negativo. La carga de un ion determina el número de electrones perdidos o ganados. El proceso de convertir un átomo neutro en un ion cargado se llama ionización.

núcleo atómico(la parte central del átomo) consta de partículas nucleares elementales: protones y neutrones. El radio del núcleo es unas cien mil veces menor que el radio del átomo. La densidad del núcleo atómico es extremadamente alta. protones- Son partículas elementales estables que tienen carga eléctrica positiva unitaria y una masa 1836 veces mayor que la masa de un electrón. El protón es el núcleo del elemento más ligero, el hidrógeno. El número de protones en el núcleo es Z. Neutrón es una partícula elemental neutra (sin carga eléctrica) con una masa muy cercana a la masa de un protón. Dado que la masa del núcleo es la suma de la masa de protones y neutrones, el número de neutrones en el núcleo de un átomo es A - Z, donde A es el número de masa de un isótopo dado (ver). El protón y el neutrón que forman el núcleo se llaman nucleones. En el núcleo, los nucleones están unidos por fuerzas nucleares especiales.

El núcleo atómico tiene una enorme reserva de energía, que se libera durante las reacciones nucleares. Las reacciones nucleares ocurren cuando interactúan núcleos atómicos con partículas elementales o con los núcleos de otros elementos. Como resultado de las reacciones nucleares, se forman nuevos núcleos. Por ejemplo, un neutrón puede transformarse en un protón. En este caso, una partícula beta, es decir, un electrón, es expulsada del núcleo.

La transición en el núcleo de un protón a un neutrón puede llevarse a cabo de dos maneras: o bien se emite una partícula con una masa igual a la masa de un electrón, pero con una carga positiva, llamada positrón (desintegración de positrones), desde el núcleo, o el núcleo captura uno de los electrones de la capa K más cercana (captura K).

A veces el núcleo formado tiene un exceso de energía (está en estado excitado) y, convirtiéndose en Condicion normal, libera el exceso de energía en forma radiación electromagnética con longitud de onda muy corta. La energía liberada durante las reacciones nucleares se utiliza prácticamente en diversas industrias.

Un átomo (del griego atomos - indivisible) es la partícula más pequeña de un elemento químico que tiene sus propiedades químicas. Todo elemento está formado por átomos. cierto tipo. La estructura de un átomo incluye el núcleo que lleva una carga eléctrica positiva y electrones cargados negativamente (ver), formando sus capas electrónicas. El valor de la carga eléctrica del núcleo es igual a Z-e, donde e es la carga eléctrica elemental, igual en magnitud a la carga del electrón (4.8 10 -10 e.-st. unidades), y Z es el número atómico de este elemento en el sistema periódico de elementos químicos (ver .). Dado que un átomo no ionizado es neutro, el número de electrones incluidos en él también es igual a Z. La composición del núcleo (ver. Núcleo atómico) incluye nucleones, partículas elementales con una masa aproximadamente 1840 veces mayor que la masa de un electrón (igual a 9.1 10 - 28 g), protones (ver), neutrones cargados positivamente y sin carga (ver). El número de nucleones en el núcleo se denomina número de masa y se denota con la letra A. El número de protones en el núcleo, igual a Z, determina el número de electrones que ingresan al átomo, la estructura de las capas de electrones y la química. propiedades del átomo. El número de neutrones en el núcleo es A-Z. Los isótopos se denominan variedades del mismo elemento, cuyos átomos difieren entre sí en el número de masa A, pero tienen el mismo Z. Por lo tanto, en los núcleos de átomos de diferentes isótopos de un elemento hay un número diferente de neutrones con el mismo número de protones. Al designar isótopos, el número de masa A se escribe en la parte superior del símbolo del elemento y el número atómico en la parte inferior; por ejemplo, los isótopos de oxígeno se denotan:

Las dimensiones del átomo están determinadas por las dimensiones de las capas de electrones y para todo Z son aproximadamente 10 -8 cm. Dado que la masa de todos los electrones del átomo es varios miles de veces menos masa núcleo, la masa de un átomo es proporcional al número de masa. La masa relativa de un átomo de un isótopo dado se determina en relación con la masa de un átomo del isótopo de carbono C 12, tomada como 12 unidades, y se denomina masa isotópica. Resulta estar cerca del número de masa del isótopo correspondiente. El peso relativo de un átomo de un elemento químico es el valor medio (teniendo en cuenta la abundancia relativa de los isótopos de un elemento dado) del peso isotópico y se denomina peso atómico (masa).

El átomo es un sistema microscópico, y su estructura y propiedades solo pueden explicarse con la ayuda de la teoría cuántica, creada principalmente en los años 20 del siglo XX y diseñada para describir fenómenos a escala atómica. Los experimentos han demostrado que las micropartículas (electrones, protones, átomos, etc.) además de las corpusculares, tienen propiedades ondulatorias que se manifiestan en difracción e interferencia. En la teoría cuántica, un determinado campo de ondas caracterizado por una función de onda (función Ψ) se utiliza para describir el estado de los microobjetos. Esta función determina las probabilidades de los posibles estados de un microobjeto, es decir, caracteriza las posibilidades potenciales de manifestación de una u otra de sus propiedades. La ley de variación de la función Ψ en el espacio y el tiempo (la ecuación de Schrödinger), que permite encontrar esta función, juega el mismo papel en la teoría cuántica que las leyes del movimiento de Newton en la mecánica clásica. La solución de la ecuación de Schrödinger en muchos casos conduce a posibles estados discretos del sistema. Así, por ejemplo, en el caso de un átomo, se obtienen una serie de funciones de onda para los electrones correspondientes a diferentes valores de energía (cuantificados). El sistema de niveles de energía del átomo, calculado por los métodos de la teoría cuántica, ha recibido brillante confirmación en espectroscopia. La transición de un átomo del estado fundamental correspondiente al nivel de energía más bajo E 0 a cualquiera de los estados excitados E i ocurre cuando se absorbe una cierta porción de energía E i - E 0. Un átomo excitado pasa a un estado menos excitado o fundamental, normalmente con la emisión de un fotón. En este caso, la energía del fotón hv es igual a la diferencia entre las energías de un átomo en dos estados: hv= E i - E k donde h es la constante de Planck (6.62·10 -27 erg·seg), v es la frecuencia de luz.

Además de los espectros atómicos, la teoría cuántica ha permitido explicar otras propiedades de los átomos. En particular, la valencia, la naturaleza enlace químico y la estructura de las moléculas, se creó una teoría sistema periódico elementos.

• Traducción

En el centro de cada átomo está el núcleo, una pequeña colección de partículas llamadas protones y neutrones. En este artículo, estudiaremos la naturaleza de los protones y los neutrones, que consisten en partículas aún más pequeñas: quarks, gluones y antiquarks. (Los gluones, como los fotones, son sus propias antipartículas). Los quarks y los gluones, hasta donde sabemos, pueden ser verdaderamente elementales (indivisibles y no compuestos de algo más pequeño). Pero a ellos más tarde.

Sorprendentemente, los protones y los neutrones tienen casi la misma masa, hasta un porcentaje:

• 0,93827 GeV/c 2 para un protón,
• 0,93957 GeV/c 2 para un neutrón.

Debido a que son tan similares y a que estas partículas forman núcleos, los protones y los neutrones a menudo se denominan nucleones.

Los protones se identificaron y describieron alrededor de 1920 (aunque se descubrieron antes; el núcleo de un átomo de hidrógeno es solo un protón), y los neutrones se encontraron alrededor de 1933. El hecho de que los protones y los neutrones sean tan similares entre sí se entendió casi de inmediato. Pero el hecho de que tengan un tamaño medible comparable al tamaño del núcleo (unas 100.000 veces más pequeñas que un átomo en radio) no se supo hasta 1954. Que están formados por quarks, antiquarks y gluones se comprendió gradualmente desde mediados de la década de 1960 hasta mediados de la de 1970. A finales de los años 70 y principios de los 80, nuestra comprensión de los protones, los neutrones y de qué están hechos se había asentado en gran medida y no ha cambiado desde entonces.

Los nucleones son mucho más difíciles de describir que los átomos o los núcleos. Esto no quiere decir que los átomos sean simples en principio, pero al menos se puede decir sin dudarlo que un átomo de helio consta de dos electrones en órbita alrededor de un diminuto núcleo de helio; y el núcleo de helio es un grupo bastante simple de dos neutrones y dos protones. Pero con los nucleones, no todo es tan simple. Ya escribí en el artículo "¿Qué es un protón y qué tiene dentro?" que el átomo es como un elegante minué y el nucleón como una fiesta salvaje.

La complejidad del protón y el neutrón parece real y no proviene de un conocimiento físico incompleto. Tenemos ecuaciones que se usan para describir quarks, antiquarks y gluones, y las fuerzas nucleares fuertes que se dan entre ellos. Estas ecuaciones se denominan QCD, de "cromodinámica cuántica". La precisión de las ecuaciones se puede probar de varias maneras, incluida la medición de la cantidad de partículas que aparecen en el Gran Colisionador de Hadrones. Sustituyendo las ecuaciones QCD en una computadora y ejecutando cálculos sobre las propiedades de protones y neutrones, y otras partículas similares (con nombre común"hadrones"), obtenemos predicciones de las propiedades de estas partículas que se aproximan bien a las observaciones realizadas en mundo real. Por lo tanto, tenemos motivos para creer que las ecuaciones de QCD no mienten y que nuestro conocimiento del protón y el neutrón se basa en las ecuaciones correctas. Pero tener las ecuaciones correctas no es suficiente, porque:

• En ecuaciones simples pueden ser decisiones muy difíciles.
• A veces no es posible describir soluciones complejas de forma sencilla.

Debido a la complejidad inherente de los nucleones, usted, el lector, tendrá que tomar una decisión: ¿cuánto quiere saber sobre la complejidad descrita? No importa cuán lejos vaya, lo más probable es que no esté satisfecho: cuanto más aprenda, más claro se volverá el tema, pero la respuesta final seguirá siendo la misma: el protón y el neutrón son muy complejos. Puedo ofrecerle tres niveles de comprensión, con detalles crecientes; puede detenerse después de cualquier nivel y pasar a otros temas, o puede sumergirse hasta el último. Cada nivel plantea preguntas que puedo responder en parte en el siguiente, pero las nuevas respuestas plantean nuevas preguntas. Al final, como hago en discusiones profesionales con colegas y estudiantes avanzados, solo puedo referirlo a datos de experimentos reales, varios argumentos teóricos influyentes y simulaciones por computadora.

Primer nivel de comprensión.

Arroz. 1: una versión simplificada de los protones, que consta de solo dos quarks up y un quark down, y los neutrones, que consta de solo dos quarks down y un quark up

Para simplificar las cosas, muchos libros, artículos y sitios web afirman que los protones están formados por tres quarks (dos arriba y uno abajo) y dibujan algo así como una figura. 1. El neutrón es el mismo, solo consta de un quark arriba y dos abajo. Esta simple imagen ilustra lo que creían algunos científicos, principalmente en la década de 1960. Pero pronto quedó claro que este punto de vista estaba demasiado simplificado hasta el punto de que ya no era correcto.

A partir de fuentes de información más sofisticadas, aprenderá que los protones están formados por tres quarks (dos arriba y uno abajo) unidos por gluones, y una imagen similar a la Fig. 2, donde los gluones se dibujan como resortes o cuerdas que sostienen quarks. Los neutrones son iguales, con solo un quark up y dos quarks down.

Arroz. 2: mejora fig. 1 debido al énfasis en papel importante fuerza nuclear fuerte que mantiene los quarks en el protón

No es una mala manera de describir los nucleones, ya que enfatiza el importante papel de la fuerza nuclear fuerte, que mantiene los quarks en el protón a expensas de los gluones (de la misma manera que el fotón, la partícula que compone la luz, está asociado con la fuerza electromagnética). Pero eso también es confuso porque realmente no explica qué son los gluones o qué hacen.

Hay razones para seguir adelante y describir las cosas como lo hice en: un protón está formado por tres quarks (dos arriba y uno abajo), un montón de gluones y una montaña de pares de quarks-antiquarks (principalmente quarks arriba y abajo). , pero también hay algunos raros). Todos vuelan de un lado a otro a velocidades muy altas (acercándose a la velocidad de la luz); todo este conjunto se mantiene unido por la fuerza nuclear fuerte. He mostrado esto en la Fig. 3. Los neutrones son de nuevo los mismos, pero con un quark up y dos down; el quark que ha cambiado de propietario se indica con una flecha.

Arroz. 3: representación más realista, aunque todavía no ideal, de protones y neutrones

Estos quarks, antiquarks y gluones no solo se escabullen de un lado a otro, sino que también chocan entre sí y se transforman entre sí a través de procesos como la aniquilación de partículas (en la que un quark y un antiquark del mismo tipo se convierten en dos gluones, o viceversa). viceversa) o absorción y emisión de un gluón (en la que un quark y un gluón pueden chocar y producir un quark y dos gluones, o viceversa).

¿Qué tienen en común estas tres descripciones?

• Dos quarks arriba y un quark abajo (más algo más) para un protón.
• Un quark up y dos quarks down (más algo más) para un neutrón.
• El “algo más” de los neutrones es lo mismo que el “algo más” de los protones. Es decir, los nucleones tienen “algo más” igual.
• La pequeña diferencia de masa entre el protón y el neutrón aparece debido a la diferencia en las masas del quark down y el quark up.

• para los quarks up, la carga eléctrica es 2/3 e (donde e es la carga del protón, -e es la carga del electrón),
• los quarks down tienen una carga de -1/3e,
• los gluones tienen una carga de 0,
• cualquier quark y su antiquark correspondiente tienen una carga total de 0 (por ejemplo, el quark anti-down tiene una carga de +1/3e, por lo que el quark down y el antiquark down tendrán una carga de -1/3 e +1/ 3 e = 0),

• carga eléctrica total del protón 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• la carga eléctrica total del neutrón es 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

• cuánto "algo más" dentro del nucleón,
• que hace ahi
• ¿De dónde provienen la masa y la energía de la masa (E = mc 2 , la energía presente incluso cuando la partícula está en reposo) del nucleón?

Arroz. 1 dice que los quarks, de hecho, representan un tercio de un nucleón, al igual que un protón o un neutrón representan un cuarto de un núcleo de helio o 1/12 de un núcleo de carbono. Si esta imagen fuera cierta, los quarks en el nucleón se moverían con relativa lentitud (a velocidades mucho más lentas que la velocidad de la luz) con fuerzas relativamente débiles actuando entre ellos (aunque con alguna fuerza poderosa manteniéndolos en su lugar). La masa del quark, arriba y abajo, sería entonces del orden de 0,3 GeV/c 2 , aproximadamente un tercio de la masa de un protón. Pero esta es una imagen simple, y las ideas que impone son simplemente incorrectas.

Arroz. 3. da una idea completamente diferente del protón, como un caldero de partículas que corren a través de él a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Estas partículas chocan entre sí, y en estas colisiones unas se aniquilan y otras se crean en su lugar. Los gluones no tienen masa, las masas de los quarks superiores son de aproximadamente 0,004 GeV/c 2 y las masas de los quarks inferiores son de aproximadamente 0,008 GeV/c 2, cientos de veces menos que un protón. De dónde proviene la energía de masa del protón, la pregunta es compleja: parte proviene de la energía de masa de los quarks y antiquarks, parte proviene de la energía de movimiento de los quarks, antiquarks y gluones, y parte (quizás positiva, quizás negativo) de la energía almacenada en la interacción nuclear fuerte, que mantiene unidos a los quarks, antiquarks y gluones.

En cierto sentido, la Fig. 2 intenta eliminar la diferencia entre la fig. 1 y la figura. 3. Simplifica el arroz. 3, eliminando muchos pares quark-antiquark, que, en principio, pueden llamarse efímeros, ya que surgen y desaparecen constantemente, y no son necesarios. Pero da la impresión de que los gluones en los nucleones son una parte directa de la fuerza nuclear fuerte que sostiene a los protones. Y no explica de dónde viene la masa del protón.

En la fig. 1 tiene otro inconveniente, además de los marcos estrechos del protón y el neutrón. No explica algunas de las propiedades de otros hadrones, como el pión y el mesón rho. Los mismos problemas existen en la Fig. 2.

Estas restricciones han llevado al hecho de que doy a mis alumnos y en mi sitio web una imagen de la fig. 3. Pero quiero advertirte que también tiene muchas limitaciones, las cuales consideraré más adelante.

Cabe señalar que la extrema complejidad de la estructura, implícita en la Fig. 3 es de esperar de un objeto que mantiene unido tal fuerza poderosa como la fuerza nuclear fuerte. Y una cosa más: tres quarks (dos arriba y uno abajo para un protón) que no forman parte de un grupo de pares de quarks-antiquarks a menudo se denominan "quarks de valencia", y los pares de quarks-antiquarks se denominan "mar de pares de quarks". Tal lenguaje es técnicamente conveniente en muchos casos. Pero da la falsa impresión de que si pudieras mirar dentro del protón y mirar un quark en particular, podrías decir inmediatamente si era parte del mar o una valencia. Esto no se puede hacer, simplemente no existe tal manera.

Masa de protones y masa de neutrones

Arroz. 1 dice que los quarks arriba y abajo simplemente constituyen 1/3 de la masa del protón y el neutrón: alrededor de 0,313 GeV/c 2 , o debido a la energía necesaria para mantener los quarks en el protón. Y dado que la diferencia entre las masas de un protón y un neutrón es una fracción de un porcentaje, la diferencia entre las masas de un quark up y down también debe ser una fracción de un porcentaje.

Arroz. 2 es menos claro. ¿Qué fracción de la masa de un protón existe debido a los gluones? Pero, en principio, de la figura se deduce que la mayor parte de la masa del protón todavía proviene de la masa de los quarks, como en la figura 1. 1.

Arroz. 3 refleja un enfoque más sutil de cómo se produce realmente la masa del protón (como podemos verificar directamente a través de los cálculos de computadora del protón, y no directamente usando otros metodos matematicos). Es muy diferente de las ideas presentadas en la Fig. 1 y 2, y resulta que no es tan simple.

Para entender cómo funciona esto, no se debe pensar en términos de la masa m del protón, sino en términos de su energía de masa E = mc 2 , la energía asociada con la masa. La pregunta conceptualmente correcta no es "¿de dónde viene la masa del protón m", después de lo cual se puede calcular E multiplicando m por c 2 , sino todo lo contrario: "¿de dónde viene la energía de la masa del protón E", después de lo cual puedes calcular la masa m dividiendo E por c 2 .

Es útil clasificar las contribuciones a la energía de la masa del protón en tres grupos:

A) La energía de masa (energía en reposo) de los quarks y antiquarks contenidos en ella (gluones, partículas sin masa, no hacen ningún aporte).
B) Energía de movimiento (energía cinética) de quarks, antiquarks y gluones.
C) La energía de interacción (energía de enlace o energía potencial) almacenada en la interacción nuclear fuerte (más precisamente, en los campos de gluones) que contiene el protón.

Arroz. 3 dice que las partículas dentro del protón se mueven a gran velocidad, y que está lleno de gluones sin masa, por lo que la contribución de B) es mayor que la de A). Por lo general, en la mayoría de los sistemas físicos, B) y C) son comparables, mientras que C) suele ser negativo. Entonces, la energía de masa del protón (y el neutrón) se deriva principalmente de la combinación de B) y C), con A) contribuyendo con una pequeña fracción. Por lo tanto, las masas del protón y el neutrón aparecen principalmente no por las masas de las partículas contenidas en ellos, sino por las energías de movimiento de estas partículas y la energía de su interacción asociada con los campos de gluones que generan las fuerzas que mantienen el protón En la mayoría de los otros sistemas con los que estamos familiarizados, el equilibrio de energías se distribuye de manera diferente. Por ejemplo, en átomos y en sistema solar A domina), mientras que B) y C) son mucho más pequeñas y comparables en tamaño.

Resumiendo, señalamos que:

• Arroz. 1 sugiere que la energía de masa del protón proviene de la contribución A).
• Arroz. 2 sugiere que ambas contribuciones A) y C) son importantes, y B) hace una pequeña contribución.
• Arroz. 3 sugiere que B) y C) son importantes, mientras que la contribución de A) es insignificante.

Si la figura. 3 no miente, las masas del quark y del antiquark son muy pequeñas. ¿Cómo son realmente? La masa del quark top (así como la del antiquark) no supera los 0,005 GeV/c 2 , que es mucho menor que los 0,313 GeV/c 2 , que se deduce de la Fig. 1. (La masa de un quark up es difícil de medir y varía debido a efectos sutiles, por lo que podría ser mucho menor que 0,005 GeV/c2). La masa del quark bottom es aproximadamente 0,004 GeV/c 2 mayor que la masa del quark top. Esto significa que la masa de cualquier quark o antiquark no excede el uno por ciento de la masa de un protón.

Tenga en cuenta que esto significa (al contrario de la Fig. 1) que la relación entre la masa del quark down y el quark up no se aproxima a la unidad. La masa del quark down es al menos el doble de la del quark up. La razón por la que las masas del neutrón y el protón son tan similares no es que las masas de los quarks up y down sean similares, sino que las masas de los quarks up y down son muy pequeñas, y la diferencia entre ellas es pequeña, relativa. a las masas del protón y del neutrón. Recuerde que para convertir un protón en un neutrón, simplemente necesita reemplazar uno de sus quarks arriba con un quark abajo (Figura 3). Este cambio es suficiente para hacer que el neutrón sea un poco más pesado que el protón y cambie su carga de +e a 0.

Por cierto, el hecho de que diferentes partículas dentro de un protón colisionen entre sí, y aparezcan y desaparezcan constantemente, no afecta las cosas que estamos discutiendo: la energía se conserva en cualquier colisión. La energía de masa y la energía de movimiento de los quarks y gluones pueden cambiar, así como la energía de su interacción, pero la energía total del protón no cambia, aunque todo lo que hay dentro cambia constantemente. Entonces, la masa de un protón permanece constante, a pesar de su vórtice interno.

En este punto, puede detenerse y absorber la información recibida. ¡Asombroso! Prácticamente toda la masa contenida en la materia ordinaria proviene de la masa de los nucleones en los átomos. Y la mayor parte de esta masa proviene del caos inherente al protón y al neutrón: de la energía del movimiento de los quarks, gluones y antiquarks en los nucleones, y de la energía del trabajo de las interacciones nucleares fuertes que mantienen al nucleón en su estado completo. Sí: nuestro planeta, nuestros cuerpos, nuestra respiración son el resultado de un pandemónium tan silencioso y, hasta hace poco, inimaginable.

Tan pronto como se encuentra con un objeto desconocido, surge necesariamente la pregunta mercantil cotidiana: cuánto pesa. Pero si esta incógnita es una partícula elemental, ¿entonces qué? Pero nada, la pregunta sigue siendo la misma: cuál es la masa de esta partícula. Si alguien tuviera que contar los costos incurridos por la humanidad para satisfacer su curiosidad por la investigación, más precisamente, las mediciones, las masas de las partículas elementales, entonces encontraríamos que, por ejemplo, la masa de un neutrón en kilogramos con un alucinante número de ceros después del punto decimal, cuestan a la humanidad más que la mayoría construcción costosa con el mismo número de ceros antes del punto decimal.

Y todo comenzó de manera muy casual: en el laboratorio dirigido por J. J. Thomson en 1897 se realizaron estudios de rayos catódicos. Como resultado, se determinó una constante universal para el Universo: el valor de la relación entre la masa de un electrón y su carga. Antes de determinar la masa de un electrón, queda muy poco: determinar su carga. Después de 12 años logró hacerlo. Realizó experimentos con gotas de aceite que caían en un campo eléctrico, y logró no solo equilibrar su peso con la magnitud del campo, sino también realizar las medidas necesarias y extremadamente delicadas. Su resultado es el valor numérico de la masa del electrón:

yo = 9,10938215(15) * 10-31 kg.

En este momento, los estudios de la estructura también pertenecen a donde el pionero fue Ernest Rutherford. Fue él quien, observando la dispersión de partículas cargadas, propuso un modelo de un átomo con un exterior capa electrónica y núcleo positivo. La partícula, a la que se le proponía el papel de núcleo del átomo más simple, se obtuvo mediante el bombardeo de nitrógeno. reacción nuclear, obtenido en el laboratorio, como resultado, del nitrógeno se obtuvieron oxígeno y núcleos del futuro llamados protones. Sin embargo, los rayos alfa están compuestos por partículas complejas: además de dos protones, contienen dos neutrones más. La masa del neutrón es casi igual a y peso total la partícula alfa resulta ser bastante sólida para destruir el núcleo que se aproxima y separar una "pieza" de él, lo que sucedió.

El flujo de protones positivos fue desviado por el campo eléctrico, compensando su desviación causada por estos experimentos.Ya no era difícil determinar la masa del protón. Pero lo más interesante fue la cuestión de qué proporción tienen las masas del protón y el electrón. El enigma se resolvió de inmediato: la masa del protón supera la masa del electrón en poco más de 1836 veces.

Entonces, inicialmente, el modelo del átomo se suponía, según Rutherford, como un conjunto electrón-protón con el mismo número de protones y electrones. Sin embargo, pronto resultó que el modelo nuclear primario no describe completamente todos los efectos observados en las interacciones de las partículas elementales. Recién en 1932 confirmó la hipótesis de partículas adicionales en la composición del núcleo. Se les llamó neutrones, protones neutros, porque. no tenían cargo. Es esta circunstancia la que determina su gran capacidad de penetración: no gastan su energía en la ionización de los átomos que se aproximan. La masa de un neutrón es ligeramente mayor que la masa de un protón: solo alrededor de 2,6 masas de electrones más.

Las propiedades químicas de las sustancias y compuestos que están formados por un elemento determinado están determinadas por el número de protones en el núcleo de un átomo. Con el tiempo se comprobó la participación del protón en interacciones fuertes y otras fundamentales: electromagnética, gravitacional y débil. En este caso, a pesar de que la carga del neutrón está ausente, con fuertes interacciones, el protón y el neutrón se consideran como una partícula elemental, el nucleón en diferentes estados cuánticos. En parte, la similitud en el comportamiento de estas partículas también se explica por el hecho de que la masa del neutrón difiere muy poco de la masa del protón. La estabilidad de los protones les permite ser utilizados después de acelerar a altas velocidades, como partículas de bombardeo para reacciones nucleares.