Нуклеон

Во хемијата и физиката нуклеонот или е протон или неутрон, кој се смета за улога како компонента на атомското јадро. Бројот на нуклеоните во јадрото дефинира масен број на изотопи (нуклеонски број).

Атомско јадро е прикажано овде како компактен сноп на двата вида нуклеони, протони (црвени) и неутрони (сини). На оваа слика, протоните и неутроните се прикажани како посебни, кое што е конвенционалното гледиште во хемијата. Но, во вистинското јадро, како што е разбрано од модерната јадрена физика, нуклеоните се делумно делокализирани и се ориентираат според законите на квантната хромодинамика.

До 1960-тите, нуклеоните се сметале дека биле елементарни честички, кои не биле составени од помали делови. Сега тие се познати како композитни честички, направени од три кваркови врзани заедно со таканаречената силна интеракција. Интеракцијата помеѓу два или повеќе нуклеони се нарекува интернуклеонска интеракција или јадрена сила, која исто така е највеќе предизвикана од силната интеракција. (Пред откривањето на кварковите, терминот „силна интеракција“ се однесувал на интернуклеонски интеракции.)

Нуклеоните се на граница каде што физиката на честички и јадрената физика се преклопува. Физика на честички, особено квантната хромодинамика, ги обезбедува основните равенки кои ги објаснуваат својствата на кварковите и нивната силната интеракција. Овие равенки објаснуваат квантитативно како кварковите можат да се врзуваат заедно во протони и неутрони (и сите други хадрони). Меѓутоа, кога повеќе нуклеони ќе се соберат во атомско јадро ( нуклид ), овие фундаментални равенки стануваат премногу тешки за да се решат директно (види решетка QCD). Наместо тоа, нуклидите се изучуваат во рамките на јадрената физика, која ги проучува нуклеоните и нивните интеракции преку приближување и модели, како што е моделот на јадрена школка. Овие модели можат успешно да ги објаснат својствата на нуклидот, како на пример, дали одреден нуклид се подложува на радиоактивно распаѓање.

Протонот и неутронот се и фермиони, адрони и бариони. Протонот носи позитивен нето полнеж и неутронот носи нула нето задолжен; масата на протонот е само околу 0,13% помалку од масата на неутроните. Со тоа, тие може да се гледаат како две состојби на истиот Нуклеон, и заедно формираат isospin дублет I =  ¹⁄₂ Во изоспински простор, неутроните можат да се трансформираат во протони преку SU (2) симетрија, и обратно. Овие нуклони делуваат подеднакво од силната интеракција, која е инвариантна при ротација во изоспин простор. Според теоремата на Нотер, изоспин е конзервиран во однос на силната интеракција.^{[1]:129–130}

Преглед

Главни статии: Протон и Неутрон

Својства

Кварков состав на нуклеонот

Протон (
p
):
u

u

d

Неутрон (
n
):
u

d

d

Антипротон (
p
):
u

u

d

Антинеутрон (
n
):
u

d

d

Протонот (p) се состои од два горни кварка (u) и еден долен кварк (d): uud. Неутронот (n) има еден горен кварк (u) и два долни кварка (d): udd. Антипротонот (
p
) има два горни антикварка (
u
) аи еден долен антикварк (
d
):
u

u

d
. Антинеутронот (
n
) има еден горен антикварк (
u
) и два долни антикварка (
d
):
u

d

d
. Промената на бојата (доделувањето на боите) на поединечните кваркови е по личен избор, но мора да се присутни сите три (црвена, зелена, сина) бои.

Протоните и неутроните се најдобро познати во нивната улога како нуклони, односно како компоненти на атомските јадра, исто така тие постојат како слободни честички. Слободните неутрони се нестабилни, со полуживот од околу 13 минути,тие се вообичаени по природа и имаат важни апликации (види неутронско зрачење и неутронско расејување ). Единечни протони, кои не се врзани за други нуклони, обично се сметаат за јадра на водородни атоми или јони, но во некои екстремни случаи (космички зраци, протонски одсјаи), тие може да се сметаат за слободни протони.

Ниту протон, ниту неутрон не е елементарна честичка, што значи дека секоја од нив е составена од помали делови, односно три кваркови. Протон е составен од два горни кварки и еден долен кварк, додека неутронот има еден горен кварк и два долни кваркови. Кварковите се одржуваат заедно со силната сила, или еквивалентно, со глуони, кои посредуваат во силната сила.

Еден горен кварк има електричен полнеж ⁺ 2/3  е, и долен кварк има полнење ^- 1/3 e, така што сумираните електрични полнежи на протонот и неутронот се + <i id="mwTw">e</i> и 0, соодветно.^{[note 1]} Така, неутронот има полнеж од 0 (нула), и затоа е електрично неутрален; Всушност, терминот "неутрон" доаѓа од фактот дека неутронот е електрично неутрален.

Масата на протонот и неутронот е доста слична: Протонот е 1,6726 x 10–27 кг или 938,27 MeV/c², додека неутронот е 1,6749 x 10–27 кг или 939,57 MeV/c². Неутронот е приближно 0,13% потежок. Сличноста во масата може да се објасни со малата разлика во масите на горните кваркови и долните кваркови кои ги сочинуваат нуклоните. Сепак, деталното објаснување останува нерешен проблем во физиката на честички.^{[1] :135–136}

Спинот на протони и неутрони е 1/2 што значи дека се таканаречени фермиони и, како електроните (за разлика од бозоните ), се предмет на принципот за исклучување на Паули, многу важен феномен во јадрена физика : протоните и неутроните во атомското јадро не можат да бидат во иста квантна состојба ; наместо тоа, се шират во јадрени школки аналогни на електронските обвивки во хемијата. Исто така важно, овој спин (на протон и неутрон) е извор на јадрен спин во поголеми јадра. Јадрениот спин е најдобро познат по својата суштинска улога во NMR / MRI техниката за хемиски и биохемиски анализи.

Магнетниот момент на протонот, означен со μ _p, е 2,79 nuclear magnetons (μ_N), додека магнетниот момент на неутронот е μ _n = −1,91 μ_N Овие параметри се исто така важни во NMR / MRI.

Стабилност

Неутрон во слободна состојба е нестабилна честичка, со полуживот од околу десет минути. Се подложува на (вид на радиоактивно распаѓање ) со претворање во протон додека емитуваат електрони и електронски антинеутрино. (Види статија Неутрон за повеќе дискусии за распаѓање на неутроните.) Протон сам по себе се смета дека е стабилен, или барем неговиот животен век е премногу долг за мерење. Ова е важна дискусија во физиката на честички, (види распаѓање на Протон ).

Во внатрешноста на јадрото, од друга страна, комбинираните протони и неутрони (нуклеони) можат да бидат стабилни или нестабилни во зависност од нуклидот или јадрените видови. Внатре во некои нуклиди, неутронот може да се претвори во протон (произведува други честички) како што е опишано погоре; обратното може да се случи во другите нуклиди, каде што протонот се претвора во неутрон (произведувајќи други честички) низ распаѓање или електронско фаќање. Внатре во другите нуклиди, и протоните и неутроните се стабилни и не менуваат форма.

Антинуклеони

И двата нуклеоната имаат соодветни античестички : антипротон и антинеутрон, кои ја имаат истата маса и спротивен полнеж како протонот и неутронот, и тие се однесуваат на ист начин. (Ова генерално се верува дека е точно точно, поради CPT симетрија. Ако има разлика, тоа е премногу мало за да се измери во сите експерименти до ден денес.) Особено, антинукулеоните можат да се врзат во "антинуклеус". Досега, научниците создадоа антидеутериум ^[2][3] и антихелиум-3^[4] јадра.

Белешки

1. The resultant coefficients are obtained by summation of the component charges: Σ= ^+ 2⁄₃ + ^+ 2⁄₃ + ^− 1⁄₃ = ^+ 3⁄₃ = ⁺1, and Σ= ^+ 2⁄₃ + ^− 1⁄₃ + ^− 1⁄₃ =  ⁰⁄₃ = 0.

Наводи

1. Griffiths, David J. (2008), Introduction to Elementary Particles (2 revised. изд.), WILEY-VCH, ISBN 978-3-527-40601-2
2. Massam, T; Muller, Th.; Righini, B.; Schneegans, M.; Zichichi, A. (1965). „Experimental observation of antideuteron production“. Il Nuovo Cimento. 39 (1): 10–14. Bibcode:1965NCimS..39...10M. doi:10.1007/BF02814251.
3. Dorfan, D. E; Eades, J.; Lederman, L. M.; Lee, W.; Ting, C. C. (June 1965). „Observation of Antideuterons“. Phys. Rev. Lett. 14 (24): 1003–1006. Bibcode:1965PhRvL..14.1003D. doi:10.1103/PhysRevLett.14.1003.
4. R. Arsenescu; и др. (2003). „Antihelium-3 production in lead-lead collisions at 158 A GeV/c“. New Journal of Physics. 5 (1): 1. Bibcode:2003NJPh....5....1A. doi:10.1088/1367-2630/5/1/301.