Neutronin massa ja varaus. Suuri öljyn ja kaasun tietosanakirja

Monet tietävät koulusta, että kaikki aine koostui atomeista. Atomit puolestaan ​​koostuvat protoneista ja neutroneista, jotka muodostavat atomien ja elektronien ytimen, jotka sijaitsevat jollain etäisyydellä ytimestä. Monet ovat myös kuulleet, että valo koostuu myös hiukkasista - fotoneista. Hiukkasten maailma ei kuitenkaan rajoitu tähän. Tähän mennessä tunnetaan yli 400 erilaista alkuainehiukkasta. Yritetään ymmärtää, kuinka alkuainehiukkaset eroavat toisistaan.

On olemassa monia parametreja, joilla alkuainehiukkaset voidaan erottaa toisistaan:

• Paino.
• Sähkövaraus.
• Elinikä. Lähes kaikilla alkuainehiukkasilla on rajallinen elinikä, jonka jälkeen ne hajoavat.
• Pyöritä. Sitä voidaan likimäärin pitää pyörimismomenttina.

Muutama parametri lisää, tai kuten niitä kvanttilukutieteessä yleisesti kutsutaan. Näillä parametreilla ei aina ole selkeää fyysistä merkitystä, mutta niitä tarvitaan hiukkasten erottamiseksi toisesta. Kaikki nämä lisäparametrit esitetään joinakin suureina, jotka säilyvät vuorovaikutuksessa.

Lähes kaikilla hiukkasilla on massa, paitsi fotoneilla ja neutriinoilla (uusimpien tietojen mukaan neutriinoilla on massa, mutta niin pieni, että sitä pidetään usein nollana). Ilman massaa hiukkaset voivat olla olemassa vain liikkeessä. Kaikkien hiukkasten massa on erilainen. Elektronilla on pienin massa neutrinoa lukuun ottamatta. Hiukkasten, joita kutsutaan mesoneiksi, massa on 300-400 kertaa suurempi kuin elektronin massa, protoni ja neutroni ovat lähes 2000 kertaa raskaampia kuin elektroni. Hiukkasia, jotka ovat lähes 100 kertaa raskaampia kuin protoni, on jo löydetty. Massa (tai sen energiaekvivalentti Einsteinin kaavan mukaan:

säilyy kaikessa alkuainehiukkasten vuorovaikutuksessa.

Kaikilla hiukkasilla ei ole sähkövarausta, mikä tarkoittaa, että kaikki hiukkaset eivät pysty osallistumaan sähkömagneettiseen vuorovaikutukseen. Kaikille vapaasti olemassa oleville hiukkasille sähkövaraus on elektronin varauksen kerrannainen. Vapaasti olemassa olevien hiukkasten lisäksi on myös hiukkasia, jotka ovat vain sidottuina, niistä puhumme hieman myöhemmin.

Spin, kuten myös muut eri hiukkasten kvanttiluvut, ovat erilaisia ​​ja luonnehtivat niiden ainutlaatuisuutta. Jotkut kvanttiluvut säilyvät joissakin vuorovaikutuksissa, toiset toisissa. Kaikki nämä kvanttiluvut määräävät, mitkä hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa minkä kanssa ja miten.

Elinikä on myös erittäin tärkeä hiukkasen ominaisuus, ja tarkastelemme sitä tarkemmin. Aloitetaan huomautuksella. Kuten artikkelin alussa totesimme, kaikki, mikä meitä ympäröi, koostuu atomeista (elektroneista, protoneista ja neutroneista) ja valosta (fotonit). Ja missä sitten on satoja erilaisia ​​alkuainehiukkasia. Vastaus on yksinkertainen - kaikkialla ympärillämme, mutta emme huomaa kahdesta syystä.

Ensimmäinen niistä on, että melkein kaikki muut hiukkaset elävät hyvin vähän, noin 10 - miinus 10 sekuntia tai vähemmän, eivätkä siksi muodosta rakenteita, kuten atomeja, kristallihilat ja niin edelleen. Toinen syy koskee neutriinoja, vaikka nämä hiukkaset eivät hajoa, ne ovat vain heikon ja gravitaatiovuorovaikutuksen alaisia. Tämä tarkoittaa, että nämä hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa niin vähän, että on lähes mahdotonta havaita niitä.

Visualisoidaan, mikä ilmaisee, kuinka hyvin hiukkanen vuorovaikuttaa. Esimerkiksi elektronien virtaus voidaan pysäyttää melko ohuella, muutaman millimetrin luokkaa olevalla teräslevyllä. Tämä tapahtuu, koska elektronit alkavat välittömästi olla vuorovaikutuksessa teräslevyn hiukkasten kanssa, ne muuttavat jyrkästi suuntaansa, lähettävät fotoneja ja menettävät siten energiaa melko nopeasti. Kaikki on vialla neutriinojen virtauksessa, ne voivat kulkea läpi melkein ilman vuorovaikutusta Maapallo. Siksi niitä on erittäin vaikea löytää.

Joten useimmat hiukkaset elävät hyvin lyhyen ajan, minkä jälkeen ne hajoavat. Hiukkasten hajoaminen ovat yleisimmät reaktiot. Hajoamisen seurauksena yksi hiukkanen hajoaa useiksi pienemmiksi massaisiksi hiukkasiksi, jotka puolestaan ​​hajoavat edelleen. Kaikki rappeumat noudattavat tiettyjä sääntöjä - suojelulakeja. Joten esimerkiksi hajoamisen seurauksena on säilytettävä sähkövaraus, massa, spin ja joukko kvanttilukuja. Jotkut kvanttiluvut voivat muuttua hajoamisen aikana, mutta myös tiettyjen sääntöjen mukaisesti. Hajoamissäännöt kertovat meille, että elektroni ja protoni ovat pysyviä hiukkasia. He eivät voi enää rapistua tottelemalla rappeutumisen sääntöjä, ja siksi rappeutumisketjut päättyvät heidän kanssaan.

Tässä haluaisin sanoa muutaman sanan neutronista. Myös vapaa neutroni hajoaa protoniksi ja elektroniksi noin 15 minuutissa. Tätä ei kuitenkaan tapahdu, kun neutroni on atomiytimessä. Tämä tosiasia voidaan selittää eri tavoilla. Esimerkiksi kun elektroni ja ylimääräinen protoni hajoavasta neutronista ilmestyvät atomin ytimeen, tapahtuu välittömästi käänteinen reaktio - yksi protoneista absorboi elektronin ja muuttuu neutroniksi. Tätä kuvaa kutsutaan dynaamiseksi tasapainoksi. Häntä havaittiin universumissa aikainen vaihe sen kehitys pian alkuräjähdyksen jälkeen.

Hajoamisreaktioiden lisäksi on olemassa myös sirontareaktioita - kun kaksi tai useampi hiukkanen vuorovaikuttaa samanaikaisesti ja tuloksena on yksi tai useampi muu hiukkanen. On myös absorptioreaktioita, kun yksi saadaan kahdesta tai useammasta hiukkasesta. Kaikki reaktiot tapahtuvat voimakkaan heikon tai sähkömagneettisen vuorovaikutuksen seurauksena. Voimakkaasta vuorovaikutuksesta johtuvat reaktiot ovat nopeimmat, tällaisen reaktion aika voi olla 10 - miinus 20 sekuntia. Sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta johtuvien reaktioiden nopeus on pienempi, tässä aika voi olla noin 10 - miinus 8 sekuntia. Heikoissa vuorovaikutusreaktioissa aika voi olla kymmeniä sekunteja ja joskus jopa vuosia.

Hiukkasia käsittelevän tarinan lopussa puhutaan kvarkeista. Kvarkit ovat alkuainehiukkasia, joiden sähkövaraus on moninkertainen kolmanneksen elektronin varauksesta ja jotka eivät voi olla vapaassa tilassa. Heidän vuorovaikutuksensa on järjestetty siten, että he voivat elää vain osana jotain. Esimerkiksi kolmen tietyn tyyppisen kvarkin yhdistelmä muodostaa protonin. Toinen yhdistelmä antaa neutronin. Kaikkiaan tunnetaan 6 kvarkkia. Niiden erilaiset yhdistelmät antavat meille erilaisia ​​hiukkasia, ja vaikka kaikki kvarkkien yhdistelmät eivät ole fysikaalisten lakien sallimia, kvarkeista koostuvia hiukkasia on melko paljon.

Tässä voi herää kysymys, kuinka protonia voidaan kutsua alkeisaineeksi, jos se koostuu kvarkeista. Hyvin yksinkertaisesti - protoni on alkeisaine, koska sitä ei voida jakaa komponenttiosiinsa - kvarkeihin. Kaikki vahvaan vuorovaikutukseen osallistuvat hiukkaset koostuvat kvarkeista ja ovat samalla alkuainehiukkasia.

Alkuainehiukkasten vuorovaikutusten ymmärtäminen on erittäin tärkeää maailmankaikkeuden rakenteen ymmärtämiseksi. Kaikki mitä tapahtuu makrokappaleille on seurausta hiukkasten vuorovaikutuksesta. Se on hiukkasten vuorovaikutus, joka kuvaa puiden kasvua maan päällä, reaktioita tähtien syvyyksissä, neutronitähtien säteilyä ja paljon muuta.

Sivu 1

Neutronivaraus on nolla. Tästä syystä neutroneilla ei ole merkitystä atomin ytimen varauksen suuruudessa. Kromin sarjanumero on sama kuin sama arvo.

Protonivaraus qp e Neutronin varaus on yhtä suuri kuin nolla.

On helppo nähdä, että tässä tapauksessa neutronin varaus on odotetusti nolla ja protonin varaus on 1. Kaikki kahteen perheeseen kuuluvat baryonit saadaan - kahdeksan ja kymmenen. Mesonit koostuvat kvarkista ja antikvarkista. Palkki tarkoittaa antikvarkeja; niiden sähkövaraus eroaa etumerkillään vastaavan kvarkin sähkövarauksesta. Outo kvarkki ei mene pi-mesoniin, pi-mesonit, kuten olemme jo todenneet, ovat hiukkasia, joiden omituisuus ja spin on yhtä suuri kuin nolla.

Koska protonin varaus on yhtä suuri kuin elektronin varaus ja neutronin varaus on yhtä suuri kuin luodin varaus, niin jos voimakas vuorovaikutus kytketään pois päältä, protonin vuorovaikutus elektromagneettinen kenttä Ja se on tavallinen Dirac-hiukkasen vuorovaikutus - Yp / V. Neutronilla ei olisi sähkömagneettista vuorovaikutusta.

Nimitykset: 67 - elektronin ja protonin välinen varausero; q on neutronivaraus; qg on elektronin varauksen itseisarvo.

Ydin koostuu positiivisesti varautuneista alkuainehiukkasista - protoneista ja neutroneista, joilla ei ole varausta.

Nykyaikaisten käsitysten perusta aineen rakenteesta on aineen atomien olemassaolon väite, joka koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja varautumattomista neutroneista, jotka muodostavat positiivisesti varautuneen ytimen, ja negatiivisesti varautuneista elektroneista, jotka pyörivät ytimen ympäri. Elektronien energiatasot ovat tämän teorian mukaan diskreettejä, ja niiden aiheuttamaa lisäenergian menetystä tai hankkimista pidetään siirtymänä sallitulta energiatasolta toiselle. Tässä tapauksessa elektronisten energiatasojen diskreetistä luonteesta tulee syy samalle erilliselle energian absorptiolle tai emissiolle elektronissa siirtymisen aikana energiatasolta toiselle.

Oletimme, että atomin tai molekyylin varauksen määrää täysin skalaarisumma q Z (q Nqn, missä Z on elektroni-protoni-parien lukumäärä, (q qp - qe on elektronin ja protonin varausten ero , N on neutronien lukumäärä ja qn on neutronin varaus.

Ydinvarauksen määrää vain protonien lukumäärä Z, ja sen massaluku A on sama kuin protonien ja neutronien kokonaismäärä. Koska neutronin varaus on nolla, kahden neutronin välillä ei ole Coulombin lain mukaista sähköistä vuorovaikutusta eikä myöskään protonin ja neutronin välillä. Samaan aikaan kahden protonin väliin vaikuttaa sähköinen hylkimisvoima.

Lisäksi mittaustarkkuuden rajoissa ei ole koskaan rekisteröity yhtään törmäysprosessia, jossa varauksen säilymislakia ei noudatettaisi. Esimerkiksi neutronien joustamattomuus tasaisissa sähkökentissä mahdollistaa neutronivarauksen katsomisen nollaksi tarkkuudella 1 (elektronivarauksen H7.

Olemme jo sanoneet, että protonin ja yhden ydinmagnetonin magneettisen momentin välinen ero on hämmästyttävä tulos. Vielä yllättävämpää (Näyttää siltä, ​​että neutronilla ilman varausta on magneettinen momentti.

On helppo nähdä, että näitä voimia ei ole pelkistetty mihinkään fysiikan kurssin edellisissä osissa käsitellyihin voimiin. Todellakin, jos oletetaan esimerkiksi, että gravitaatiovoimat vaikuttavat ytimien nukleonien välillä, niin tunnetuista protoni- ja neutronimassasta on helppo laskea, että sitoutumisenergia hiukkasta kohden on mitätön - se on 1036 kertaa pienempi kuin havaittu. kokeellisesti. Olettamus sähköisestä luonteesta myös katoaa. ydinvoimat. Itse asiassa tässä tapauksessa on mahdotonta kuvitella vakaata ydintä, joka koostuu yhdestä varautuneesta protonista ja ilman neutronin varausta.

Ytimen nukleonien välillä vallitseva vahva sidos osoittaa, että atomiytimissä on erityisiä, niin kutsuttuja ydinvoimia. On helppo nähdä, että näitä voimia ei ole pelkistetty mihinkään fysiikan kurssin edellisissä osissa käsitellyihin voimiin. Todellakin, jos oletetaan esimerkiksi, että gravitaatiovoimat vaikuttavat ytimien nukleonien välillä, niin protonin ja neutronin tunnetuista massoista on helppo laskea, että sitoutumisenergia hiukkasta kohden on mitätön - se on 1038 kertaa pienempi kuin joka havaittiin kokeellisesti. Myös oletus ydinvoimien sähköisyydestä katoaa. Itse asiassa tässä tapauksessa on mahdotonta kuvitella vakaata ydintä, joka koostuu yhdestä varautuneesta protonista ja ilman neutronin varausta.

Atomi on pienin hiukkanen kemiallinen alkuaine, joka säilyttää kaiken Kemialliset ominaisuudet. Atomi koostuu positiivisesti varautuneesta ytimestä ja negatiivisesti varautuneista elektroneista. Minkä tahansa kemiallisen alkuaineen ytimen varaus on yhtä suuri kuin Z:n tulo e:llä, missä Z on tämän alkuaineen sarjanumero kemiallisten alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä, e on alkusähkövarauksen arvo.

Elektroni- tämä on aineen pienin hiukkanen, jolla on negatiivinen sähkövaraus e=1,6·10 -19 coulombia perussähkövarauksena. Ytimen ympäri pyörivät elektronit sijaitsevat elektronikuorilla K, L, M jne. K on ydintä lähinnä oleva kuori. Atomin koon määrää sen elektronikuoren koko. Atomi voi menettää elektroneja ja tulla positiiviseksi ioniksi tai saada elektroneja ja tulla negatiiviseksi ioniksi. Ionin varaus määrittää kadonneiden tai saatujen elektronien määrän. Prosessia, jossa neutraali atomi muutetaan varautuneeksi ioniksi, kutsutaan ionisaatioksi.

atomiydin(atomin keskiosa) koostuu alkuaineydinhiukkasista - protoneista ja neutroneista. Ytimen säde on noin satatuhatta kertaa pienempi kuin atomin säde. Atomiytimen tiheys on erittäin korkea. Protonit- Nämä ovat pysyviä alkuainehiukkasia, joilla on yksikköpositiivinen sähkövaraus ja massa 1836 kertaa suurempi kuin elektronin massa. Protoni on kevyimmän alkuaineen, vedyn, ydin. Protonien lukumäärä ytimessä on Z. Neutron on neutraali (ei sähkövarausta) alkuainehiukkanen, jonka massa on hyvin lähellä protonin massaa. Koska ytimen massa on protonien ja neutronien massojen summa, atomin ytimessä olevien neutronien lukumäärä on A - Z, missä A on tietyn isotoopin massaluku (katso). Protoneja ja neutroneja, jotka muodostavat ytimen, kutsutaan nukleoneiksi. Ytimessä nukleoneja sitovat erityiset ydinvoimat.

Atomiytimessä on valtava energiavarasto, joka vapautuu ydinreaktioiden aikana. Ydinreaktiot tapahtuvat vuorovaikutuksessa atomiytimet alkuainehiukkasten tai muiden alkuaineiden ytimien kanssa. Ydinreaktioiden seurauksena muodostuu uusia ytimiä. Esimerkiksi neutroni voi muuttua protoniksi. Tässä tapauksessa ytimestä irtoaa beetahiukkanen eli elektroni.

Protonin ytimessä tapahtuva siirtyminen neutroniksi voidaan suorittaa kahdella tavalla: joko hiukkanen, jonka massa on yhtä suuri kuin elektronin massa, mutta jolla on positiivinen varaus, jota kutsutaan positroniksi (positronin hajoaminen) ydin tai ydin vangitsee yhden lähimmästä K-kuoresta olevista elektroneista (K-kaappaus).

Joskus muodostuneessa ytimessä on ylimääräistä energiaa (se on kiihtyneessä tilassa) ja muuttuu normaali kunto, vapauttaa ylimääräistä energiaa muodossa elektromagneettinen säteily erittäin lyhyellä aallonpituudella. Ydinreaktioiden aikana vapautuvaa energiaa käytetään käytännössä eri teollisuudenaloilla.

Atomi (kreikaksi atomos - jakamaton) on kemiallisen alkuaineen pienin hiukkanen, jolla on sen kemialliset ominaisuudet. Jokainen alkuaine koostuu atomeista tietynlaista. Atomin rakenne sisältää positiivisen sähkövarauksen sisältävän ytimen ja negatiivisesti varautuneita elektroneja (katso), jotka muodostavat sen elektronikuoret. Ytimen sähkövarauksen arvo on yhtä suuri kuin Z-e, missä e on alkeissähkövaraus, joka on suuruudeltaan yhtä suuri kuin elektronin varaus (4,8 10 -10 e.-st. yksikköä) ja Z on atomiluku tämän alkuaineen jaksollisessa kemiallisten alkuaineiden järjestelmässä (katso .). Koska ionisoimaton atomi on neutraali, siihen sisältyvien elektronien lukumäärä on myös Z. Ytimen (katso Atomiydin) koostumus sisältää nukleoneja, alkuainehiukkasia, joiden massa on noin 1840 kertaa suurempi kuin atomin massa. elektroni (vastaa 9,1 10 - 28 g), protonit (katso), positiivisesti varautuneita ja varautumattomia neutroneja (katso). Ytimen nukleonien lukumäärää kutsutaan massaluvuksi ja sitä merkitään kirjaimella A. Protonien lukumäärä ytimessä, joka on yhtä suuri kuin Z, määrittää atomiin tulevien elektronien määrän, elektronikuorten rakenteen ja kemikaalin atomin ominaisuudet. Neutronien lukumäärä ytimessä on A-Z. Isotooppeja kutsutaan saman alkuaineen lajikkeiksi, joiden atomit eroavat toisistaan ​​massaluvultaan A, mutta niillä on sama Z. Siten yhden alkuaineen eri isotooppien atomien ytimissä on eri määrä neutroneja, joilla on sama määrä protoneja. Isotooppeja määritettäessä alkuainesymbolin yläosaan kirjoitetaan massaluku A ja alaosaan atominumero; Esimerkiksi hapen isotoopit on merkitty:

Atomin mitat määräytyvät elektronikuorten mittojen mukaan ja kaikilla Z on noin 10 -8 cm. Koska atomin kaikkien elektronien massa on useita tuhansia kertoja vähemmän massaa ydin, atomin massa on verrannollinen massalukuun. Tietyn isotoopin atomin suhteellinen massa määritetään suhteessa hiili-isotoopin C 12 atomin massaan 12 yksikkönä, ja sitä kutsutaan isotooppimassaksi. Se on lähellä vastaavan isotoopin massalukua. Kemiallisen alkuaineen atomin suhteellinen paino on isotoopin painon keskiarvo (ottaen huomioon tietyn alkuaineen isotooppien suhteellinen runsaus) ja sitä kutsutaan atomipainoksi (massaksi).

Atomi on mikroskooppinen järjestelmä, jonka rakennetta ja ominaisuuksia voidaan selittää vain pääasiassa 1900-luvun 20-luvulla luodun kvanttiteorian avulla, joka on tarkoitettu kuvaamaan ilmiöitä atomimittakaavassa. Kokeet ovat osoittaneet, että mikrohiukkasilla - elektroneilla, protoneilla, atomeilla jne. - on korpuskulaaristen hiukkasten lisäksi aalto-ominaisuuksia, jotka ilmenevät diffraktiossa ja interferenssissä. Kvanttiteoriassa mikroobjektien tilan kuvaamiseen käytetään tiettyä aaltokenttää, jolle on tunnusomaista aaltofunktio (Ψ-funktio). Tämä funktio määrittää mikroobjektin mahdollisten tilojen todennäköisyydet, eli se luonnehtii mahdollisia mahdollisuuksia sen yhden tai toisen ominaisuuden ilmentymiselle. Funktion Ψ variaatiolaki tilassa ja ajassa (Schrödingerin yhtälö), joka mahdollistaa tämän funktion löytämisen, näyttelee kvanttiteoriassa samaa roolia kuin Newtonin liikelailla klassisessa mekaniikassa. Schrödingerin yhtälön ratkaisu johtaa monissa tapauksissa järjestelmän diskreeteihin mahdollisiin tiloihin. Joten esimerkiksi atomin tapauksessa saadaan sarja aaltofunktioita elektroneille, jotka vastaavat erilaisia ​​(kvantisoituja) energia-arvoja. Kvanttiteorian menetelmillä laskettu atomin energiatasojärjestelmä on saanut loistavan vahvistuksen spektroskopiassa. Atomin siirtyminen alinta energiatasoa E 0 vastaavasta perustilasta mihin tahansa virittyneeseen tilaan E i tapahtuu, kun tietty osa energiasta E i - E 0 absorboituu. Virittynyt atomi menee vähemmän virittyneeseen tai perustilaan, yleensä fotonin emission kanssa. Tässä tapauksessa fotonienergia hv on yhtä suuri kuin atomin energioiden välinen ero kahdessa tilassa: hv= E i - E k missä h on Planckin vakio (6,62·10 -27 erg·s), v on taajuus. valosta.

Atomispektrien lisäksi kvanttiteoria on mahdollistanut muiden atomien ominaisuuksien selittämisen. Erityisesti valenssi, luonto kemiallinen sidos ja molekyylien rakenteesta luotiin teoria jaksollinen järjestelmä elementtejä.

• Käännös

Jokaisen atomin keskellä on ydin, pieni kokoelma partikkeleita, joita kutsutaan protoneiksi ja neutroneiksi. Tässä artikkelissa tutkimme protonien ja neutronien luonnetta, jotka koostuvat vieläkin pienemmistä hiukkasista - kvarkeista, gluoneista ja antikvarkeista. (Gluonit, kuten fotonit, ovat omia antihiukkasiaan.) Sikäli kuin tiedämme, kvarkit ja gluonit voivat olla todella alkeellisia (jakamattomia eivätkä koostu jostain pienemmästä). Mutta heille myöhemmin.

Yllättäen protoneilla ja neutroneilla on melkein sama massa - tiettyyn prosenttiin asti:

• 0,93827 GeV/c 2 protonille,
• 0,93957 GeV/c 2 neutronille.

Koska ne ovat niin samanlaisia ​​ja koska nämä hiukkaset muodostavat ytimiä, protoneja ja neutroneja kutsutaan usein nukleoneiksi.

Protonit tunnistettiin ja kuvattiin noin vuoden 1920 tienoilla (vaikka ne löydettiin aikaisemmin; vetyatomin ydin on vain yksi protoni), ja neutronit löydettiin noin vuonna 1933. Se tosiasia, että protonit ja neutronit ovat niin samankaltaisia ​​toistensa kanssa, ymmärrettiin melkein välittömästi. Mutta tosiasia, että niillä on mitattava koko, joka on verrattavissa ytimen kokoon (noin 100 000 kertaa pienempi kuin atomi säteellä), tiedettiin vasta vuonna 1954. Se, että ne koostuvat kvarkeista, antikvarkeista ja gluoneista, ymmärrettiin vähitellen 1960-luvun puolivälistä 1970-luvun puoliväliin. 70-luvun lopulla ja 80-luvun alussa ymmärryksemme protoneista, neutroneista ja siitä, mistä ne on tehty, oli suurelta osin vakiintunut ja on pysynyt muuttumattomana siitä lähtien.

Nukleoneja on paljon vaikeampi kuvata kuin atomeja tai ydintä. Tämä ei tarkoita sitä, että atomit olisivat periaatteessa yksinkertaisia, mutta ainakin voidaan epäröimättä sanoa, että heliumatomi koostuu kahdesta elektronista, jotka kiertävät pienen heliumytimen; ja heliumydin on melko yksinkertainen kahden neutronin ja kahden protonin ryhmä. Mutta nukleonien kanssa kaikki ei ole niin yksinkertaista. Kirjoitin jo artikkelissa "Mikä on protoni ja mitä sen sisällä on?", että atomi on kuin tyylikäs menuetti ja nukleoni kuin villi juhla.

Protonin ja neutronin monimutkaisuus näyttää olevan todellinen, eikä se johdu puutteellisesta fysikaalisesta tiedosta. Meillä on yhtälöitä, joita käytetään kuvaamaan kvarkeja, antikvarkeja ja gluoneja sekä niiden välillä olevia voimakkaita ydinvoimia. Näitä yhtälöitä kutsutaan "kvanttikromodynamiikasta" QCD:ksi. Yhtälöiden tarkkuutta voidaan testata monin eri tavoin, mukaan lukien mittaamalla suuressa hadronitörmäyttimessä esiintyvien hiukkasten lukumäärää. QCD-yhtälöiden korvaaminen tietokoneella ja laskelmien suorittaminen protonien ja neutronien sekä muiden vastaavien hiukkasten ominaisuuksista (jossa yleinen nimi"hadronit"), saamme ennusteita näiden hiukkasten ominaisuuksista, jotka vastaavat hyvin vuonna tehtyjä havaintoja. todellista maailmaa. Siksi meillä on syytä uskoa, että QCD-yhtälöt eivät valehtele ja että tietomme protonista ja neutronista perustuu oikeisiin yhtälöihin. Mutta pelkkä oikea yhtälö ei riitä, koska:

• klo yksinkertaiset yhtälöt voivat olla erittäin vaikeita päätöksiä.
• Joskus monimutkaisia ​​ratkaisuja ei ole mahdollista kuvata yksinkertaisella tavalla.

Nukleonien luontaisen monimutkaisuuden vuoksi sinun, lukijan, on tehtävä valinta: kuinka paljon haluat tietää kuvatusta monimutkaisuudesta? Riippumatta siitä, kuinka pitkälle menet, et todennäköisesti ole tyytyväinen: mitä enemmän opit, sitä selvemmäksi aihe tulee, mutta lopullinen vastaus pysyy samana - protoni ja neutroni ovat erittäin monimutkaisia. Voin tarjota sinulle kolme ymmärrystasoa yhä yksityiskohtaisemmin; voit lopettaa minkä tahansa tason jälkeen ja siirtyä muihin aiheisiin tai voit sukeltaa viimeiselle. Jokainen taso herättää kysymyksiä, joihin voin osittain vastata seuraavassa, mutta uudet vastaukset herättävät uusia kysymyksiä. Lopulta - kuten ammatillisissa keskusteluissa kollegoiden ja edistyneiden opiskelijoiden kanssa - voin viitata vain todellisten kokeiden tietoihin, erilaisiin vaikuttaviin teoreettisiin väitteisiin ja tietokonesimulaatioihin.

Ymmärryksen ensimmäinen taso

Riisi. 1: liian yksinkertaistettu versio protoneista, joka koostuu vain kahdesta yläkvarkista ja yhdestä alaspäin, ja neutroneista, jotka koostuvat vain kahdesta alas-kvarkista ja yhdestä ylös

Asioiden yksinkertaistamiseksi monet kirjat, artikkelit ja verkkosivustot väittävät, että protonit koostuvat kolmesta kvarkista (kaksi ylös ja yksi alas) ja piirtävät jotain kuvion kaltaista. 1. Neutroni on sama, koostuu vain yhdestä ylös- ja kahdesta alas-kvarkista. Tämä yksinkertainen kuva havainnollistaa sitä, mitä jotkut tiedemiehet uskoivat enimmäkseen 1960-luvulla. Mutta pian kävi selväksi, että tämä näkökulma oli liian yksinkertaistettu siinä määrin, että se ei enää ollut oikea.

Kehittyneemmistä tietolähteistä opit, että protonit koostuvat kolmesta kvarkista (kaksi ylös ja yksi alas), joita gluonit pitävät yhdessä - ja kuva on samanlainen kuin kuvassa. 2, jossa gluonit piirretään jousiksi tai jousiksi, jotka pitävät kvarkeja. Neutronit ovat samoja, vain yksi up-kvarkki ja kaksi alas-kvarkkia.

Riisi. 2: parannus kuva. 1 painotuksen vuoksi tärkeä rooli vahva ydinvoima, joka pitää kvarkit protonissa

Ei huono tapa kuvata nukleoneja, sillä se korostaa vahvan ydinvoiman tärkeää roolia, sillä se pitää kvarkeja protonissa gluonien kustannuksella (kuten fotoni, valon muodostava hiukkanen, liittyy sähkömagneettiseen pakottaa). Mutta se on myös hämmentävää, koska se ei oikeastaan ​​​​selitä, mitä gluonit ovat tai mitä ne tekevät.

On syytä mennä eteenpäin ja kuvata asioita samalla tavalla kuin tein: protoni koostuu kolmesta kvarkista (kaksi ylös ja yksi alas), joukosta gluoneja ja vuoresta kvarkki-antikvarkki-pareja (enimmäkseen ylös ja alas kvarkeja , mutta siellä on myös joitain outoja). Ne kaikki lentävät edestakaisin erittäin suurilla nopeuksilla (lähestyy valon nopeutta); tätä koko sarjaa pitää koossa vahva ydinvoima. Olen näyttänyt tämän kuvassa. 3. Neutronit ovat jälleen samoja, mutta yhdellä ylös- ja kahdella alas-kvarkilla; omistajaa vaihtanut kvarkki on merkitty nuolella.

Riisi. 3: realistisempi, vaikkakaan ei vieläkään ihanteellinen, esitys protoneista ja neutroneista

Nämä kvarkit, antikvarkit ja gluonit eivät vain kiipeile edestakaisin, vaan myös törmäävät toisiinsa ja muuttuvat toisiksi prosesseissa, kuten hiukkasten tuhoutumisessa (jossa samantyyppinen kvarkki ja antikvarkki muuttuvat kahdeksi gluoniksi tai paheeksi päinvastoin) tai gluonin absorptio ja emissio (jossa kvarkki ja gluoni voivat törmätä ja tuottaa kvarkin ja kaksi gluonia tai päinvastoin).

Mitä yhteistä näillä kolmella kuvauksella on:

• Kaksi ylös-kvarkkia ja alas-kvarkki (plus jotain muuta) protonille.
• Yksi yläkvarkki ja kaksi alaskvarkkia (plus jotain muuta) neutronille.
• "Jotain muuta" neutroneille on sama kuin "jotain muuta" protoneille. Eli nukleoneilla on "jotain muuta" samaa.
• Pieni massaero protonin ja neutronin välillä johtuu down- ja up-kvarkin massojen eroista.

• up-kvarkeilla sähkövaraus on 2/3 e (missä e on protonin varaus, -e on elektronin varaus),
• untuvakvarkeilla on -1/3e varaus,
• gluonien varaus on 0,
• minkä tahansa kvarkin ja sitä vastaavan antikvarkin kokonaisvaraus on 0 (esimerkiksi anti-down-kvarkin varaus on +1/3e, joten untuvakvarkin ja untuvanantikvarkin varaus on –1/3 e +1/ 3 e = 0),

• protonin kokonaissähkövaraus 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• neutronin kokonaissähkövaraus on 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

• kuinka paljon "jotain muuta" nukleonin sisällä,
• mitä se siellä tekee
• mistä nukleonin massa ja massaenergia (E = mc 2 , siellä oleva energia hiukkasen levossakin) ovat peräisin.

Riisi. 1 sanoo, että kvarkit edustavat itse asiassa kolmannesta nukleonista - aivan kuten protoni tai neutroni edustavat neljännestä heliumytimestä tai 1/12 hiiliytimestä. Jos tämä kuva olisi totta, kvarkit liikkuisivat nukleonissa suhteellisen hitaasti (paljon valon nopeutta hitaammin) ja niiden väliin vaikuttaisi suhteellisen heikkoja voimia (tosin voimakkailla voimilla, jotka pitävät ne paikoillaan). Kvarkin massa, ylös ja alas, olisi silloin luokkaa 0,3 GeV/c 2 , noin kolmannes protonin massasta. Mutta tämä on yksinkertainen kuva, ja sen määräämät ajatukset ovat yksinkertaisesti vääriä.

Riisi. 3. antaa aivan toisenlaisen käsityksen protonista, sen läpi kiertelevänä hiukkaskattilana lähellä valonnopeutta. Nämä hiukkaset törmäävät toisiinsa, ja näissä törmäyksissä osa niistä tuhoutuu ja toiset syntyvät niiden tilalle. Gluoneilla ei ole massaa, ylempien kvarkkien massat ovat noin 0,004 GeV/c 2 ja alempien kvarkkien massat ovat noin 0,008 GeV/c 2 - satoja kertoja vähemmän kuin protoni. Mistä protonin massaenergia tulee, kysymys on monimutkainen: osa siitä tulee kvarkkien ja antikvarkkien massaenergiasta, osa kvarkkien, antikvarkkien ja gluonien liikeenergiasta ja osa (ehkä positiivista, kenties negatiivinen) voimakkaassa ydinvuorovaikutuksessa varastoidusta energiasta, joka pitää kvarkit, antikvarkit ja gluonit yhdessä.

Tietyssä mielessä kuva Fig. 2 yrittää poistaa eron kuvan 2 välillä. 1 ja fig. 3. Se yksinkertaistaa riisiä. 3, poistamalla monet kvarkki-antikvarkki-parit, joita periaatteessa voidaan kutsua lyhytaikaisiksi, koska ne syntyvät ja katoavat jatkuvasti eivätkä ole välttämättömiä. Mutta se antaa vaikutelman, että nukleonien gluonit ovat suora osa voimakasta ydinvoimaa, joka pitää protonit. Eikä se selitä mistä protonin massa tulee.

Kuvassa 1:ssä on toinenkin haittapuoli protonin ja neutronin kapeiden kehysten lisäksi. Se ei selitä joitain muiden hadronien, kuten pionin ja rho mesonin, ominaisuuksia. Samat ongelmat esiintyvät kuvassa. 2.

Nämä rajoitukset ovat johtaneet siihen, että annan opiskelijoilleni ja verkkosivulleni kuvan kuvasta. 3. Haluan kuitenkin varoittaa sinua siitä, että sillä on myös monia rajoituksia, joita tarkastelen myöhemmin.

On huomattava, että rakenteen äärimmäinen monimutkaisuus, kuten kuvassa 2 on esitetty. 3 on odotettavissa esineeltä, joka pitää sellaisen koossa voimakas voima kuten vahva ydinvoima. Ja vielä yksi asia: kolmea kvarkkia (kaksi ylös ja yksi alas protonille), jotka eivät kuulu kvarkki-antikvarkki-parien ryhmään, kutsutaan usein "valenssikvarkeiksi", ja kvarkki-antikvarkkipareja kutsutaan "mereksi". kvarkkipareja." Tällainen kieli on teknisesti kätevä monissa tapauksissa. Mutta se antaa väärän vaikutelman, että jos voisit katsoa protonin sisään ja katsoa tiettyä kvarkkia, voisit heti tietää, oliko se osa merta vai valenssia. Tätä ei voi tehdä, sellaista tapaa ei yksinkertaisesti ole.

Protonimassa ja neutronimassa

Riisi. 1 sanoo, että ylös ja alas kvarkit muodostavat yksinkertaisesti 1/3 protonin ja neutronin massasta: noin 0,313 GeV/c 2 tai kvarkkien pitämiseen protonissa tarvittavan energian vuoksi. Ja koska ero protonin ja neutronin massojen välillä on prosentin murto-osa, myös ylös- ja alaspäin kvarkin massojen eron on oltava prosentin murto-osa.

Riisi. 2 on vähemmän selkeä. Mikä osa protonin massasta on olemassa gluonien ansiosta? Mutta periaatteessa kuvasta seuraa, että suurin osa protonin massasta tulee silti kvarkkien massasta, kuten kuvassa 1. 1.

Riisi. 3 kuvastaa hienovaraisempaa lähestymistapaa siihen, miten protonin massa todellisuudessa syntyy (koska voimme tarkistaa suoraan protonin tietokonelaskelmien kautta, emmekä suoraan käyttämällä muita matemaattisia menetelmiä). Se on hyvin erilainen kuin kuvassa esitetyt ideat. 1 ja 2, ja se ei ole niin yksinkertainen.

Ymmärtääkseen, miten tämä toimii, ei tarvitse ajatella protonin massaa m, vaan sen massaenergiaa E = mc 2, massaan liittyvää energiaa. Käsitteellisesti oikea kysymys ei ole "mistä protonimassa m tulee", jonka jälkeen voit laskea E kertomalla m:llä c 2, vaan päinvastoin: "mistä tulee protonimassan E energia", jonka jälkeen voit laskea massan m jakamalla E luvulla c 2 .

On hyödyllistä luokitella panokset protonimassan energiaan kolmeen ryhmään:

A) Sen sisältämien kvarkkien ja antikvarkkien massaenergia (lepoenergia) (gluonit, massattomat hiukkaset, eivät vaikuta mitenkään).
B) Kvarkkien, antikvarkkien ja gluonien liikeenergia (kineettinen energia).
C) Vuorovaikutusenergia (sidosenergia tai potentiaalienergia), joka on varastoitunut voimakkaaseen ydinvuorovaikutukseen (tarkemmin sanottuna gluonikenttiin), joka pitää protonin.

Riisi. 3 sanoo, että protonin sisällä olevat hiukkaset liikkuvat suurella nopeudella ja että se on täynnä massattomia gluoneja, joten B):n panos on suurempi kuin A). Yleensä useimmissa fysikaalisissa järjestelmissä B) ja C) ovat vertailukelpoisia, kun taas C) on usein negatiivinen. Joten protonin (ja neutronin) massaenergia saadaan enimmäkseen B) ja C yhdistelmästä, ja A) osallistuu pienen osan. Siksi protonin ja neutronin massat eivät ilmene pääasiassa niiden sisältämien hiukkasten massojen vuoksi, vaan näiden hiukkasten liikeenergioiden ja niiden vuorovaikutuksen energian vuoksi, joka liittyy gluonikenttiin, jotka synnyttävät pitovoimat. protoni. Useimmissa muissa meille tutuissa järjestelmissä energiatasapaino jakautuu eri tavalla. Esimerkiksi atomeissa ja sisällä aurinkokunta A hallitsee), kun taas B) ja C) ovat paljon pienempiä ja kooltaan vertailukelpoisia.

Yhteenvetona huomautamme, että:

• Riisi. 1 viittaa siihen, että protonin massaenergia tulee panoksesta A).
• Riisi. 2 viittaa siihen, että molemmat panokset A) ja C) ovat tärkeitä, ja B) antaa pienen panoksen.
• Riisi. Kuva 3 viittaa siihen, että B) ja C) ovat tärkeitä, kun taas A):n osuus on mitätön.

Jos kuva 3 ei valehtele, kvarkin ja antikvarkin massat ovat hyvin pieniä. Millaisia ​​ne oikeasti ovat? Huippukvarkin (sekä antikvarkin) massa ei ylitä 0,005 GeV/c 2 , mikä on paljon vähemmän kuin 0,313 GeV/c 2 , mikä seuraa kuvasta 2. 1. (Up-kvarkin massaa on vaikea mitata ja se vaihtelee hienovaraisten vaikutusten vuoksi, joten se voi olla paljon pienempi kuin 0,005 GeV/c2). Pohjakvarkin massa on noin 0,004 GeV/c 2 suurempi kuin yläkvarkin massa. Tämä tarkoittaa, että minkään kvarkin tai antikvarkin massa ei ylitä yhtä prosenttia protonin massasta.

Huomaa, että tämä tarkoittaa (toisin kuin kuvassa 1), että down-kvarkin ja up-kvarkin massan suhde ei lähentele yhtenäisyyttä! Down-kvarkin massa on vähintään kaksi kertaa up-kvarkin massa. Syy siihen, että neutronin ja protonin massat ovat niin samankaltaisia, ei ole se, että ylös- ja alas-kvarkkien massat ovat samanlaisia, vaan se, että ylös- ja alas-kvarkkien massat ovat hyvin pieniä - ja niiden välinen ero on pieni, suhteellinen. protonin ja neutronin massoihin. Muista, että protonin muuttamiseksi neutroniksi sinun on yksinkertaisesti korvattava yksi sen ylös-kvarkista alaskvarkilla (kuva 3). Tämä muutos riittää tekemään neutronista hieman protonia raskaamman ja muuttamaan sen varauksen arvosta +e arvoon 0.

Muuten, se tosiasia, että protonin sisällä olevat eri hiukkaset törmäävät toisiinsa, ilmaantuvat ja katoavat jatkuvasti, ei vaikuta käsittelemiimme asioihin - energia säilyy kaikissa törmäyksissä. Kvarkkien ja gluonien massaenergia ja liikeenergia voivat muuttua, samoin kuin niiden vuorovaikutuksen energia, mutta protonin kokonaisenergia ei muutu, vaikka kaikki sen sisällä muuttuu jatkuvasti. Joten protonin massa pysyy vakiona sisäisestä pyörteestään huolimatta.

Tässä vaiheessa voit pysähtyä ja omaksua saamasi tiedon. Hämmästyttävä! Käytännössä kaikki tavallisen aineen sisältämä massa tulee atomien nukleonien massasta. Ja suurin osa tästä massasta tulee protonille ja neutronille ominaisesta kaaoksesta - kvarkkien, gluonien ja antikvarkkien liikeenergiasta nukleoneissa sekä voimakkaiden ydinvuorovaikutusten työstä, jotka pitävät nukleonin koko tilassaan. Kyllä: planeettamme, kehomme, hengityksemme ovat seurausta tällaisesta hiljaisesta ja viime aikoihin asti käsittämättömästä pandemoniasta.

Heti kun sattuu kohtaamaan tuntemattoman esineen, herää väistämättä kaupallinen arjen kysymys - kuinka paljon se painaa. Mutta jos tämä tuntematon on alkeishiukkanen, mitä sitten? Mutta ei mitään, kysymys pysyy samana: mikä on tämän hiukkasen massa. Jos joku laskisi ihmiskunnalle aiheutuvat kustannukset tyydyttääkseen tutkimusuteliaisuuttaan, tarkemmin sanottuna mittauksia, alkuainehiukkasten massat, niin saisimme selville, että esimerkiksi neutronin massa kilogrammoina on käsittämätöntä. nollien määrä desimaalipilkun jälkeen, maksaa ihmiskunnalle enemmän kuin useimmat kallis rakentaminen samalla määrällä nollia ennen desimaalipistettä.

Ja kaikki alkoi hyvin satunnaisesti: J. J. Thomsonin johtamassa laboratoriossa vuonna 1897 suoritettiin katodisäteiden tutkimuksia. Tämän seurauksena maailmankaikkeudelle määritettiin universaali vakio - elektronin massan ja sen varauksen suhteen arvo. Ennen elektronin massan määrittämistä on jäljellä hyvin vähän - sen varauksen määrittämiseen. 12 vuoden jälkeen hän onnistui tekemään sen. Hän suoritti kokeita sähkökentässä putoavilla öljypisaroilla, ja hän onnistui paitsi tasapainottamaan niiden painon kentän suuruuden kanssa, myös tekemään tarvittavat ja erittäin herkät mittaukset. Niiden tulos on elektronin massan numeerinen arvo:

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

Tähän mennessä rakennetutkimukset kuuluvat myös sinne, missä edelläkävijä oli Ernest Rutherford. Hän oli se, joka tarkkaillessaan varautuneiden hiukkasten hajoamista ehdotti mallia atomista, jossa on ulkoinen elektronikuori ja positiivinen ydin. Hiukkanen, jolle ehdotettiin yksinkertaisimman atomin ytimen roolia, saatiin pommittamalla typpeä.Tämä oli ensimmäinen ydinreaktio, saatu laboratoriossa - tuloksena happea ja tulevaisuuden ytimiä, joita kutsutaan protoneiksi, saatiin typestä. Alfasäteet koostuvat kuitenkin monimutkaisista hiukkasista: kahden protonin lisäksi ne sisältävät kaksi muuta neutronia. Neutronimassa on lähes yhtä suuri kuin ja kokonaispaino alfahiukkanen osoittautuu melko kiinteäksi tuhotakseen vastaantulevan ytimen ja irrottaakseen siitä "palan", mikä tapahtui.

Positiivisten protonien virtaa ohjattiin sähkökentän vaikutuksesta, mikä kompensoi näiden kokeiden aiheuttamaa taipumaa, joten protonimassan määrittäminen ei ollut enää vaikeaa. Mutta mielenkiintoisin oli kysymys siitä, mikä suhde protoni- ja elektronimassoilla on. Arvoitus ratkesi välittömästi: protonin massa ylittää elektronin massan hieman yli 1836 kertaa.

Joten alun perin atomimallin oletettiin Rutherfordin mukaan elektroni-protonijoukoksi, jossa on sama määrä protoneja ja elektroneja. Pian kuitenkin kävi ilmi, että primääriydinmalli ei täysin kuvaa kaikkia havaittuja vaikutuksia alkuainehiukkasten vuorovaikutukseen. Vasta vuonna 1932 hän vahvisti hypoteesin lisähiukkasista ytimen koostumuksessa. Niitä kutsuttiin neutroneiksi, neutraaleiksi protoneiksi, koska. heillä ei ollut maksua. Juuri tämä seikka määrää heidän suuren läpäisykykynsä - he eivät käytä energiaansa vastaan ​​tulevien atomien ionisointiin. Neutronin massa on hyvin vähän suurempi kuin protonin massa - vain noin 2,6 elektronimassaa enemmän.

Tietyn alkuaineen muodostamien aineiden ja yhdisteiden kemialliset ominaisuudet määräytyvät atomin ytimessä olevien protonien lukumäärän mukaan. Ajan myötä protonin osallistuminen vahvoihin ja muihin perustavanlaatuisiin vuorovaikutuksiin vahvistettiin: sähkömagneettiseen, gravitaatioon ja heikkoon. Tässä tapauksessa huolimatta siitä, että neutronin varaus puuttuu, protonia ja neutronia pidetään voimakkaiden vuorovaikutusten yhteydessä alkuainehiukkasina, nukleoniina eri kvanttitiloissa. Osittain näiden hiukkasten käyttäytymisen samankaltaisuus selittyy myös sillä, että neutronin massa eroaa hyvin vähän protonin massasta. Protonien stabiilius mahdollistaa niiden käytön kiihdytyksen jälkeen suuret nopeudet, ydinreaktioiden pommittavia hiukkasia.