->

Mnogi ljudi iz ?kole dobro znaju da se sve supstance sastoje od atoma. Atomi se, pak, sastoje od protona i neutrona koji ?ine jezgro atoma i elektrona koji se nalaze na odre?enoj udaljenosti od jezgre. Mnogi su ?uli i da se svjetlost sastoji i od ?estica - fotona. Me?utim, svijet ?estica nije ograni?en na ovo. Do danas je poznato vi?e od 400 razli?itih elementarnih ?estica. Poku?ajmo razumjeti kako se elementarne ?estice razlikuju jedna od druge.

Postoji mnogo parametara po kojima se elementarne ?estice mogu razlikovati jedna od druge:

• Te?ina.
• Elektri?no punjenje.
• ?ivotni vijek. Gotovo sve elementarne ?estice imaju ograni?en ?ivotni vijek, nakon ?ega se raspadaju.
• Spin. Mo?e se smatrati, vrlo pribli?no, kao rotacijski moment.

Jo? nekoliko parametara, ili kako ih obi?no nazivaju u nauci o kvantnim brojevima. Ovi parametri nemaju uvijek jasno fizi?ko zna?enje, ali su potrebni da bi se neke ?estice razlikovale od drugih. Svi ovi dodatni parametri se uvode kao neke veli?ine koje se ?uvaju u interakciji.

Gotovo sve ?estice imaju masu, osim fotona i neutrina (prema najnovijim podacima, neutrini imaju masu, ali toliko malu da se ?esto smatra nulom). Bez mase ?estice mogu postojati samo u pokretu. Sve ?estice imaju razli?ite mase. Elektron ima najmanju masu, ne ra?unaju?i neutrino. ?estice koje se nazivaju mezoni imaju masu 300-400 puta ve?u od mase elektrona, proton i neutron su skoro 2000 puta te?i od elektrona. Sada su otkrivene ?estice koje su skoro 100 puta te?e od protona. Masa (ili njen energetski ekvivalent prema Einsteinovoj formuli:

je o?uvan u svim interakcijama elementarnih ?estica.

Nemaju sve ?estice elektri?ni naboj, ?to zna?i da nisu sve ?estice sposobne da u?estvuju u elektromagnetnoj interakciji. Sve slobodno postoje?e ?estice imaju elektri?ni naboj koji je vi?estruki od naboja elektrona. Pored slobodno postoje?ih ?estica, postoje i ?estice koje su samo u vezanom stanju, o njima ?emo ne?to kasnije.

Spin je, kao i drugi kvantni brojevi, razli?it za razli?ite ?estice i karakterizira njihovu jedinstvenost. Neki kvantni brojevi su o?uvani u nekim interakcijama, neki u drugim. Svi ovi kvantni brojevi odre?uju koje ?estice s kojim stupaju u interakciju i kako.

?ivotni vijek je tako?er vrlo va?na karakteristika ?estice, a mi ?emo je detaljnije razmotriti. Po?nimo s napomenom. Kao ?to smo rekli na po?etku ?lanka, sve ?to nas okru?uje sastoji se od atoma (elektrona, protona i neutrona) i svjetlosti (fotona). A gdje su onda stotine razli?itih tipova elementarnih ?estica? Odgovor je jednostavan - svuda oko nas, ali to ne primje?ujemo iz dva razloga.

Prvi od njih je da gotovo sve ostale ?estice ?ive vrlo kratko, otprilike 10 do minus 10 stepena sekunde ili manje, te stoga ne formiraju takve strukture kao ?to su atomi, kristalne re?etke itd. Drugi razlog se ti?e neutrina; iako se ove ?estice ne raspadaju, one su podlo?ne samo slabim i gravitacionim interakcijama. To zna?i da te ?estice me?usobno djeluju tako malo da ih je gotovo nemogu?e otkriti.

Hajde da vizualizujemo koliko dobro ?estica interaguje. Na primjer, protok elektrona mo?e se zaustaviti prili?no tankim ?eli?nim limom, reda veli?ine nekoliko milimetara. To ?e se dogoditi jer ?e elektroni odmah po?eti komunicirati s ?esticama ?eli?nog lima, naglo ?e promijeniti smjer, emitirati fotone i tako brzo izgubiti energiju. To nije slu?aj sa protokom neutrina, oni mogu pro?i kroz Zemlju gotovo bez interakcija. I stoga ih je vrlo te?ko otkriti.

Dakle, ve?ina ?estica ?ivi vrlo kratko, nakon ?ega se raspadaju. Raspadi ?estica su naj?e??e reakcije. Kao rezultat raspadanja, jedna ?estica se raspada na nekoliko drugih manje mase, a one se dalje raspadaju. Svi raspadi po?tuju odre?ena pravila - zakone o?uvanja. Tako, na primjer, kao rezultat raspada, elektri?ni naboj, masa, spin i niz drugih kvantnih brojeva moraju biti o?uvani. Neki kvantni brojevi mogu se mijenjati tokom raspadanja, ali tako?er podlije?u odre?enim pravilima. Pravila raspada nam govore da su elektron i proton stabilne ?estice. Oni se vi?e ne mogu raspadati podlo?ni pravilima propadanja, i stoga su oni ti koji prekidaju lance raspadanja.

Ovdje bih ?elio re?i nekoliko rije?i o neutronu. Slobodni neutron se tako?er raspada na proton i elektron za oko 15 minuta. Me?utim, to se ne de?ava kada je neutron u atomskom jezgru. Ova ?injenica se mo?e objasniti na razli?ite na?ine. Na primjer, kada se u jezgri atoma pojave elektron i dodatni proton iz raspadnutog neutrona, odmah dolazi do obrnute reakcije - jedan od protona apsorbira elektron i pretvara se u neutron. Ova slika se zove dinami?ka ravnote?a. Uo?eno je u svemiru u ranoj fazi njegovog razvoja, ubrzo nakon velikog praska.

Osim reakcija raspadanja, postoje i reakcije raspr?enja - kada dvije ili vi?e ?estica djeluju istovremeno, a kao rezultat se dobiva jedna ili vi?e drugih ?estica. Postoje i reakcije apsorpcije, kada dvije ili vi?e ?estica proizvode jednu. Sve reakcije nastaju kao rezultat jakih slabih ili elektromagnetnih interakcija. Reakcije zbog jake interakcije su najbr?e, vrijeme takve reakcije mo?e dose?i 10 minus 20 sekundi. Brzina reakcija koje nastaju zbog elektromagnetne interakcije je manja, ovdje vrijeme mo?e biti oko 10 minus 8 sekundi. Za slabe interakcijske reakcije, vrijeme mo?e dose?i desetine sekundi, a ponekad i godine.

Na kraju pri?e o ?esticama, hajde da pri?amo o kvarkovima. Kvarkovi su elementarne ?estice koje imaju elektri?ni naboj koji je vi?estruki od tre?ine naboja elektrona i koje ne mogu postojati u slobodnom stanju. Njihova interakcija je ure?ena na na?in da mogu ?ivjeti samo kao dio ne?ega. Na primjer, kombinacija tri kvarka odre?enog tipa formira proton. Druga kombinacija proizvodi neutron. Ukupno je poznato 6 kvarkova. Njihove razli?ite kombinacije daju nam razli?ite ?estice, i iako nisu sve kombinacije kvarkova dozvoljene fizi?kim zakonima, postoji dosta ?estica sastavljenih od kvarkova.

Ovdje se mo?e postaviti pitanje: kako se proton mo?e nazvati elementarnim ako se sastoji od kvarkova? Vrlo je jednostavno - proton je elementaran, jer se ne mo?e podijeliti na njegove sastavne dijelove - kvarkove. Sve ?estice koje u?estvuju u jakoj interakciji sastoje se od kvarkova, a istovremeno su i elementarne.

Razumijevanje interakcija elementarnih ?estica je veoma va?no za razumijevanje strukture svemira. Sve ?to se de?ava sa makro tijelima rezultat je interakcije ?estica. To je interakcija ?estica koja opisuje rast drve?a na zemlji, reakcije u unutra?njosti zvijezda, zra?enje neutronskih zvijezda i jo? mnogo toga.

Vjerojatnosti i kvantna mehanika

>

Prou?avaju?i strukturu materije, fizi?ari su otkrili od ?ega se sastoje atomi, do?li do atomskog jezgra i podijelili ga na protone i neutrone. Svi ovi koraci su davani prili?no lako – trebalo je samo ubrzati ?estice do potrebne energije, gurnuti ih jednu na drugu, a onda bi se same raspale na sastavne dijelove.

Ali s protonima i neutronima ovaj trik vi?e nije funkcionirao. Iako su kompozitne ?estice, ne mogu se „razbiti na komade“ ?ak ni u naj?e??em sudaru. Stoga su fizi?arima bile potrebne decenije da smisle razli?ite na?ine da pogledaju unutar protona, vide njegovu strukturu i oblik. Danas je prou?avanje strukture protona jedno od najaktivnijih podru?ja fizike ?estica.

Priroda daje nagove?taje

Istorija prou?avanja strukture protona i neutrona datira jo? od 1930-ih godina. Kada su, pored protona, otkriveni i neutroni (1932.), nakon mjerenja njihove mase, fizi?ari su bili iznena?eni kada su otkrili da je ona vrlo blizu masi protona. ?tavi?e, pokazalo se da protoni i neutroni "osje?aju" nuklearnu interakciju na potpuno isti na?in. Toliko identi?ni da se, sa stanovi?ta nuklearnih sila, proton i neutron mogu smatrati dvije manifestacije iste ?estice - nukleona: proton je elektri?no nabijen nukleon, a neutron je neutralni nukleon. Zamijenite protone za neutrone i nuklearne sile (skoro) ni?ta ne?e primijetiti.

Fizi?ari ovo svojstvo prirode izra?avaju kao simetriju – nuklearna interakcija je simetri?na u odnosu na zamjenu protona neutronima, kao ?to je leptir simetri?an u odnosu na zamjenu lijevog desnom. Ova simetrija, osim ?to je igrala va?nu ulogu u nuklearnoj fizici, zapravo je bila prvi nagovje?taj da nukleoni imaju zanimljivu unutra?nju strukturu. Istina, tada, 30-ih godina, fizi?ari nisu shvatili ovaj nagove?taj.

Razumijevanje je do?lo kasnije. Po?elo je ?injenicom da su 1940-50-ih, u reakcijama sudara protona s jezgrama razli?itih elemenata, nau?nici bili iznena?eni otkrivaju?i sve vi?e i vi?e novih ?estica. Ne protoni, ne neutroni, ne pi-mezoni otkriveni do tada, koji dr?e nukleone u jezgrima, ve? neke potpuno nove ?estice. Uz svu svoju raznolikost, ove nove ?estice imale su dva zajedni?ka svojstva. Prvo, oni su, poput nukleona, vrlo rado sudjelovali u nuklearnim interakcijama - sada se takve ?estice nazivaju hadroni. I drugo, bili su izuzetno nestabilni. Najnestabilnije od njih raspadnule su se na druge ?estice za samo trilionti dio nanosekunde, nemaju?i ni vremena da polete veli?ine atomskog jezgra!

Dugo je hadronski “zoolo?ki vrt” bio u potpunom neredu. Krajem 1950-ih, fizi?ari su ve? nau?ili dosta razli?itih tipova hadrona, po?eli su ih me?usobno upore?ivati i odjednom su vidjeli odre?enu op?tu simetriju, ?ak i periodi?nost, u njihovim svojstvima. Predlo?eno je da se unutar svih hadrona (uklju?uju?i nukleone) nalaze neki jednostavni objekti koji se nazivaju “kvarkovi”. Kombinacijom kvarkova na razli?ite na?ine mogu?e je dobiti razli?ite hadrone, i to potpuno istog tipa i sa istim svojstvima koja su otkrivena u eksperimentu.

?ta proton ?ini protonom?

Nakon ?to su fizi?ari otkrili kvarkovu strukturu adrona i saznali da kvarkovi postoje u nekoliko razli?itih varijanti, postalo je jasno da se od kvarkova mo?e konstruirati mnogo razli?itih ?estica. Tako da niko nije bio iznena?en kada su kasniji eksperimenti nastavili da pronalaze nove hadrone jedan za drugim. Ali me?u svim hadronima, otkrivena je cijela porodica ?estica, koja se sastoji, ba? kao i proton, od samo dvije u-kvarkovi i jedan d-kvark. Neka vrsta "brata" protona. I tu je fizi?are ?ekalo iznena?enje.

Hajde da prvo napravimo jedno jednostavno zapa?anje. Ako imamo nekoliko objekata koji se sastoje od istih “cigli”, onda te?i objekti sadr?e vi?e “cigli”, a lak?i manje. Ovo je vrlo prirodan princip, koji se mo?e nazvati principom kombinacije ili principom nadgradnje, i savr?eno funkcionira kako u svakodnevnom ?ivotu tako i u fizici. ?ak se manifestira i u strukturi atomskih jezgara - na kraju krajeva, te?a jezgra se jednostavno sastoje od ve?eg broja protona i neutrona.

Me?utim, na nivou kvarkova ovaj princip uop?e ne funkcionira, a, dodu?e, fizi?ari jo? nisu u potpunosti shvatili za?to. Ispostavilo se da se i te?ka bra?a protona sastoje od istih kvarkova kao i proton, iako su jedan i po ili ?ak dva puta te?i od protona. Ne razlikuju se od protona (i me?usobno se razlikuju). sastav, i obostrano lokacija kvarkova, stanjem u kojem su ovi kvarkovi jedni u odnosu na druge. Dovoljno je promijeniti relativni polo?aj kvarkova - i od protona ?emo dobiti drugu, primjetno te?u ?esticu.

?ta ?e se dogoditi ako i dalje uzmete i sakupite vi?e od tri kvarka zajedno? Ho?e li biti nove te?ke ?estice? Iznena?uju?e, ne?e uspjeti - kvarkovi ?e se raspasti u troje i pretvoriti u nekoliko rasutih ?estica. Priroda iz nekog razloga "ne voli" spajanje mnogo kvarkova u jednu cjelinu! Tek nedavno, bukvalno posljednjih godina, po?eli su se pojavljivati nagove?taji da neke multikvarkove ?estice postoje, ali to samo nagla?ava koliko ih priroda ne voli.

Iz ove kombinatorike slijedi vrlo va?an i dubok zaklju?ak - masa hadrona uop?e se ne sastoji od mase kvarkova. Ali ako se masa adrona mo?e pove?ati ili smanjiti jednostavnom rekombinacijom njegovih sastavnih cigli, onda nisu sami kvarkovi odgovorni za masu adrona. I zaista, u kasnijim eksperimentima bilo je mogu?e otkriti da je masa samih kvarkova samo oko dva posto mase protona, a ostatak gravitacije nastaje zbog polja sile (specijalne ?estice - gluoni) koje ve?u kvarkove zajedno. Promjenom relativnog polo?aja kvarkova, na primjer, udaljavaju?i ih jedan od drugog, mijenjamo oblak gluona, ?ine?i ga masivnijim, zbog ?ega se pove?ava masa hadrona (slika 1).

?ta se de?ava unutar protona koji se brzo kre?e?

Sve gore opisano odnosi se na stacionarni proton; jezikom fizi?ara, ovo je struktura protona u njegovom okviru mirovanja. Me?utim, u eksperimentu je struktura protona prvi put otkrivena pod drugim uvjetima - iznutra brzo letenje proton.

Kasnih 1960-ih, u eksperimentima na sudarima ?estica na akceleratorima, uo?eno je da se protoni koji putuju brzinom skorom svjetlosti pona?aju kao da energija unutar njih nije ravnomjerno raspore?ena, ve? je koncentrirana u pojedina?nim kompaktnim objektima. ?uveni fizi?ar Richard Feynman predlo?io je da se ove nakupine materije nazovu protonima partons(sa engleskog dio - dio).

Kasniji eksperimenti ispitali su mnoga svojstva partona – na primjer, njihov elektri?ni naboj, njihov broj i udio energije protona koji svaki nosi. Ispostavilo se da su nabijeni partoni kvarkovi, a neutralni gluoni. Da, ti isti gluoni, koji su u okviru mirovanja protona jednostavno "slu?ili" kvarkove, privla?e?i ih jedni drugima, sada su nezavisni partoni i, zajedno s kvarkovima, nose "materiju" i energiju protona koji se brzo kre?e. Eksperimenti su pokazali da je otprilike polovina energije pohranjena u kvarkovima, a polovina u gluonima.

Partoni se najpogodnije prou?avaju u sudarima protona sa elektronima. ?injenica je da, za razliku od protona, elektron ne sudjeluje u jakim nuklearnim interakcijama i njegov sudar s protonom izgleda vrlo jednostavno: elektron emituje virtuelni foton za vrlo kratko vrijeme, koji se zabija u nabijeni parton i na kraju stvara veliki broj ?estica (slika 2). Mo?emo re?i da je elektron odli?an skalpel za „otvaranje“ protona i podjelu na odvojene dijelove – me?utim, samo na vrlo kratko vrijeme. Znaju?i koliko se ?esto takvi procesi de?avaju u akceleratoru, mo?e se izmjeriti broj partona unutar protona i njihov naboj.

Ko su zapravo Partoni?

I tu dolazimo do jo? jednog nevjerovatnog otkri?a do kojeg su fizi?ari do?li prou?avaju?i sudare elementarnih ?estica pri visokim energijama.

U normalnim uslovima, pitanje od ?ega se sastoji ovaj ili onaj objekat ima univerzalni odgovor za sve referentne sisteme. Na primjer, molekula vode sastoji se od dva atoma vodika i jednog atoma kisika - i nije bitno da li gledamo stacionarnu ili pokretnu molekulu. Me?utim, ovo pravilo izgleda tako prirodno! - naru?ava se ako govorimo o elementarnim ?esticama koje se kre?u brzinama bliskim brzini svjetlosti. U jednom referentnom okviru, slo?ena ?estica se mo?e sastojati od jednog skupa pod?estica, au drugom referentnom okviru od drugog. Ispostavilo se da kompozicija je relativan pojam!

Kako ovo mo?e biti? Ovdje je klju? jedno va?no svojstvo: broj ?estica u na?em svijetu nije fiksan - ?estice se mogu ra?ati i nestajati. Na primjer, ako gurnete zajedno dva elektrona sa dovoljno visokom energijom, tada se pored ova dva elektrona mogu roditi ili foton, ili par elektron-pozitron, ili neke druge ?estice. Sve to dozvoljavaju kvantni zakoni, a upravo se to de?ava u stvarnim eksperimentima.

Ali ovaj "zakon neo?uvanja" ?estica radi u slu?aju sudara?estice. Kako se de?ava da isti proton sa razli?itih gledi?ta izgleda kao da se sastoji od razli?itog skupa ?estica? Poenta je da proton nisu samo tri kvarka spojena. Izme?u kvarkova postoji polje sile gluona. Op?enito, polje sile (kao ?to je gravitacijsko ili elektri?no polje) je vrsta materijalnog "entiteta" koji pro?ima prostor i omogu?ava ?esticama da vr?e sna?an utjecaj jedna na drugu. U kvantnoj teoriji, polje se sastoji i od ?estica, dodu?e posebnih - virtualnih. Broj ovih ?estica nije fiksiran; one stalno „odvajaju“ od kvarkova i apsorbuju ih drugi kvarkovi.

Odmara se Proton se zaista mo?e zamisliti kao tri kvarka sa gluonima koji ska?u izme?u njih. Ali ako pogledamo isti proton iz drugog referentnog okvira, kao iz prozora "relativisti?kog voza" koji prolazi, vidjet ?emo potpuno druga?iju sliku. Oni virtuelni gluoni koji su spojili kvarkove zajedno ?e izgledati manje virtuelne, „stvarnije“ ?estice. Njih, naravno, jo? uvijek ra?aju i apsorbiraju kvarkovi, ali u isto vrijeme ?ive sami neko vrijeme, lete?i pored kvarkova, poput pravih ?estica. Ono ?to izgleda kao jednostavno polje sile u jednom referentnom okviru pretvara se u mlaz ?estica u drugom okviru! Imajte na umu da ne dodirujemo sam proton, ve? ga samo gledamo iz drugog referentnog okvira.

Dalje vi?e. ?to je brzina na?eg “relativisti?kog voza” bli?a brzini svjetlosti, to ?emo vi?e nevjerovatnu sliku vidjeti unutar protona. Kako se pribli?avamo brzini svjetlosti, primijetit ?emo da unutar protona ima sve vi?e gluona. ?tavi?e, ponekad se dijele na parove kvark-antikvark, koji tako?er lete u blizini i tako?er se smatraju partonima. Kao rezultat toga, ultrarelativisti?ki proton, tj. proton koji se kre?e u odnosu na nas brzinom vrlo bliskom brzini svjetlosti, pojavljuje se u obliku me?usobno pro?imaju?ih oblaka kvarkova, antikvarkova i gluona koji lete zajedno i izgleda da podr?avaju jedni druge (sl. 3).

?italac koji je upoznat sa teorijom relativnosti mo?e biti zabrinut. Sva fizika se zasniva na principu da se svaki proces odvija na isti na?in u svim inercijalnim referentnim okvirima. Ali ispada da sastav protona zavisi od referentnog okvira iz kojeg ga posmatramo?!

Da, ta?no, ali ovo ni na koji na?in ne kr?i princip relativnosti. Rezultati fizi?kih procesa - na primjer, koje ?estice i koliko ih nastaju kao rezultat sudara - ispadaju invarijantni, iako sastav protona ovisi o referentnom okviru.

Ova situacija, na prvi pogled neobi?na, ali koja zadovoljava sve zakone fizike, shematski je ilustrovana na slici 4. Ona pokazuje kako sudar dva protona visoke energije izgleda u razli?itim referentnim okvirima: u okviru mirovanja jednog protona, u okvir centra mase, u okviru mirovanja drugog protona. Interakcija izme?u protona se odvija kroz kaskadu cijepaju?ih gluona, ali se samo u jednom slu?aju ova kaskada smatra „unutra?njo??u“ jednog protona, u drugom slu?aju se smatra dijelom drugog protona, au tre?em je jednostavno neka objekat koji se razmenjuje izme?u dva protona. Ova kaskada postoji, ona je stvarna, ali kojem dijelu procesa treba pripisati zavisi od referentnog okvira.

3D portret protona

Svi rezultati o kojima smo upravo govorili zasnovani su na eksperimentima izvedenim prili?no davno - 60-70-ih godina pro?log veka. ?ini se da je od tada sve trebalo prou?iti i sva pitanja na?i odgovore. Ali ne – struktura protona i dalje ostaje jedna od najzanimljivijih tema u fizici ?estica. ?tavi?e, interes za nju se ponovo pove?ao posljednjih godina jer su fizi?ari smislili kako da dobiju "trodimenzionalni" portret protona koji se brzo kre?e, ?to se pokazalo mnogo te?im od portreta stacionarnog protona.

Klasi?ni eksperimenti o sudarima protona govore samo o broju partona i njihovoj distribuciji energije. U takvim eksperimentima partoni u?estvuju kao nezavisni objekti, ?to zna?i da je iz njih nemogu?e saznati kako se partoni nalaze jedan u odnosu na drugi, odnosno kako se ta?no zbrajaju u proton. Mo?emo re?i da je dugo vremena fizi?arima bio dostupan samo „jednodimenzionalni” portret brzog protona.

Da bi se konstruirao pravi, trodimenzionalni portret protona i saznala raspodjela partona u prostoru, potrebni su mnogo suptilniji eksperimenti od onih koji su bili mogu?i prije 40 godina. Fizi?ari su nau?ili da izvode takve eksperimente sasvim nedavno, bukvalno u poslednjoj deceniji. Shvatili su da me?u ogromnim brojem razli?itih reakcija koje nastaju kada se elektron sudari s protonom, postoji jedna posebna reakcija - duboko virtuelno Comptonovo rasejanje, - ?to nam mo?e re?i o trodimenzionalnoj strukturi protona.

Op?enito, Comptonovo raspr?enje, ili Comptonov efekat, je elasti?ni sudar fotona sa ?esticom, na primjer protonom. To izgleda ovako: dolazi foton, apsorbira ga proton, koji kratko vrijeme prelazi u pobu?eno stanje, a zatim se vra?a u prvobitno stanje, emituju?i foton u nekom smjeru.

Comptonovo raspr?ivanje obi?nih svjetlosnih fotona ne dovodi do ni?ega zanimljivog – to je jednostavno refleksija svjetlosti od protona. Da bi unutra?nja struktura protona "u?la u igru" i "osjetila" raspodjela kvarkova, potrebno je koristiti fotone vrlo visoke energije - milijarde puta vi?e nego u obi?noj svjetlosti. I upravo takve fotone - iako virtuelne - lako generi?e upadni elektron. Ako sada kombinujemo jedno sa drugim, dobi?emo duboko virtuelno Comptonovo rasejanje (slika 5).

Glavna karakteristika ove reakcije je da ne uni?tava proton. Upadni foton ne samo da udari u proton, ve? ga, takore?i, pa?ljivo opipa i zatim odleti. Smjer u kojem odleti i koji dio energije mu proton uzima ovisi o strukturi protona, o relativnom rasporedu partona unutar njega. Zato je prou?avanjem ovog procesa mogu?e vratiti trodimenzionalni izgled protona, kao da se „vaja njegova skulptura“.

Istina, eksperimentalnom fizi?aru je to vrlo te?ko u?initi. Potreban proces se javlja prili?no rijetko i te?ko ga je registrirati. Prvi eksperimentalni podaci o ovoj reakciji dobijeni su tek 2001. godine u HERA akceleratoru u njema?kom akceleratorskom kompleksu DESY u Hamburgu; eksperimentatori sada obra?uju novu seriju podataka. Me?utim, ve? danas, na osnovu prvih podataka, teoreti?ari crtaju trodimenzionalne distribucije kvarkova i gluona u protonu. Fizi?ka veli?ina, o kojoj su fizi?ari ranije samo pretpostavljali, kona?no je po?ela da "izlazi" iz eksperimenta.

O?ekuju li nas neka neo?ekivana otkri?a na ovom podru?ju? Vjerovatno je da da. Za ilustraciju, recimo da se u novembru 2008. pojavio zanimljiv teorijski ?lanak, koji ka?e da proton koji se brzo kre?e ne bi trebao izgledati kao ravan disk, ve? kao bikonkavna so?iva. To se doga?a zato ?to su partoni koji se nalaze u sredi?njem dijelu protona ja?e kompresovani u uzdu?nom smjeru od partona koji se nalaze na rubovima. Bilo bi vrlo zanimljivo eksperimentalno testirati ova teorijska predvi?anja!

Za?to je sve ovo zanimljivo fizi?arima?

Za?to fizi?ari uop?e trebaju znati kako je materija raspore?ena unutar protona i neutrona?

Prvo, to zahtijeva sama logika razvoja fizike. U svijetu postoji mnogo nevjerovatno slo?enih sistema s kojima se moderna teorijska fizika jo? ne mo?e u potpunosti nositi. Hadroni su jedan takav sistem. Razumijevanjem strukture hadrona, usavr?avamo sposobnosti teorijske fizike, koja bi se mogla pokazati univerzalnom i, mo?da, pomo?i u ne?emu sasvim drugom, na primjer, u prou?avanju supravodnika ili drugih materijala s neobi?nim svojstvima.

Drugo, postoji direktna korist za nuklearnu fiziku. Uprkos skoro vekovnoj istoriji prou?avanja atomskih jezgara, teoreti?ari jo? uvek ne znaju ta?an zakon interakcije izme?u protona i neutrona.

Oni moraju djelomi?no pogoditi ovaj zakon na osnovu eksperimentalnih podataka, a dijelom ga konstruirati na osnovu znanja o strukturi nukleona. Tu ?e pomo?i novi podaci o trodimenzionalnoj strukturi nukleona.

Tre?e, prije nekoliko godina fizi?ari su uspjeli dobiti ni manje ni vi?e nego novo agregatno stanje materije - kvark-gluonsku plazmu. U ovom stanju, kvarkovi ne sjede unutar pojedina?nih protona i neutrona, ve? slobodno hodaju po cijeloj grupi nuklearne materije. To se mo?e posti?i, na primjer, ovako: te?ka jezgra se ubrzavaju u akceleratoru do brzine koja je vrlo blizu brzini svjetlosti, a zatim se sudaraju direktno. U ovom sudaru za vrlo kratko vrijeme nastaju temperature od triliona stepeni, ?to topi jezgre u kvark-gluonsku plazmu. Dakle, ispada da teorijski prora?uni ovog nuklearnog topljenja zahtijevaju dobro poznavanje trodimenzionalne strukture nukleona.

Kona?no, ovi podaci su veoma potrebni za astrofiziku. Kada te?ke zvijezde eksplodiraju na kraju svog ?ivota, ?esto za sobom ostavljaju izuzetno kompaktne objekte - neutronske i mo?da kvarkove zvijezde. Jezgro ovih zvijezda se u potpunosti sastoji od neutrona, a mo?da ?ak i od hladne kvark-gluonske plazme. Takve zvijezde su odavno otkrivene, ali mo?e se samo naga?ati ?ta se de?ava u njima. Dakle, dobro razumijevanje raspodjele kvarkova mo?e dovesti do napretka u astrofizici.

I kreirajte elektronsku formulu. Da biste to u?inili, potreban vam je samo periodi?ni sistem hemijskih elemenata D.I. Mendeljejeva, koji je obavezan referentni materijal.

Tabela D.I. Mendeljejev je podijeljen na grupe (raspore?ene okomito), kojih ima ukupno osam, kao i na periode smje?tene horizontalno. Svaki ima svoju ordinalnu i relativnu atomsku masu, koja je nazna?ena u svakoj periodnoj tablici. Koli?ina protona(p) i elektrona (?) numeri?ki se poklapa sa atomskim brojem elementa. Za odre?ivanje broja neutroni(n) potrebno je oduzeti broj hemijskog elementa od relativne atomske mase (Ar).

Primjer #1: Izra?unajte koli?inu protona, elektroni i neutroni atom hemijskog elementa br. 7. Hemijski element br. 7 je azot (N). Prvo odredite koli?inu protona(R). Ako je serijski broj 7, onda ?e biti 7 protona. S obzirom da se ovaj broj poklapa sa brojem negativno nabijenih ?estica, postoja?e i 7 elektrona (?). neutroni(n) od relativne atomske mase (Ar (N) = 14), oduzmite atomski broj du?ika (br. 7). Dakle, 14 – 7 = 7. Generalno, sve informacije izgledaju ovako: p = +7;? = -7;n = 14-7 = 7.

Primjer #2: Izra?unajte koli?inu protona, elektroni i neutroni atom hemijskog elementa br. 20. Hemijski element br. 20 je kalcijum (Ca). Prvo odredite koli?inu protona(R). Ako je serijski broj 20, onda ?e biti 20 protona. Znaju?i da se ovaj broj poklapa sa brojem negativno nabijenih ?estica, tada ?e postojati i 20 elektrona (?). neutroni(n) od relativne atomske mase (Ar (Ca) = 40), oduzmi atomski broj (br. 20). Dakle, 40 – 20 = 20. Generalno, sve informacije izgledaju ovako: p = +20;? = -20;n = 40-20 = 20.

Primjer #3: Izra?unajte koli?inu protona, elektroni i neutroni atom hemijskog elementa br. 33. Hemijski element br. 33 je arsen (As). Prvo odredite koli?inu protona(R). Ako je serijski broj 33, onda ?e biti 33. S obzirom da se ovaj broj poklapa sa brojem negativno nabijenih ?estica, postoja?e i 33 elektrona (?). neutroni(n) od relativne atomske mase (Ar (As) = 75), oduzmite atomski broj du?ika (br. 33). Dakle, 75 – 33 = 42. Generalno, sve informacije izgledaju ovako: p = +33;? = -33;n = 75 -33 = 42.

Bilje?ka

Relativna atomska masa navedena u tabeli D.I. Mendeljejeva, potrebno je zaokru?iti na najbli?i cijeli broj.

Izvori:

• proton i neutroni ?ine odgovor

Ostavite bocu sa strane da se ohladi. Jedna i po do dvije minute je dovoljno. U suprotnom ?e se formirati nerastvorljivi talog.

Prelijte zid vodom i njome isperite lijevak. Protresite dok se potpuno ne izmije?a, zagrijte bocu ako je potrebno.

Sastavite i pri?vrstite prijemnik. Ubrizgajte 10 ml 0,01 N u prijemnik. rastvor sumporne kiseline. Nanesite jednu ili dvije kapi metilrota. Nakon ?to sjedinite sve sastojke, pri?vrstite vodenu mlaznu pumpu na prijemnik.

Nakon deset minuta prestanite sa destilacijom. Zatvorite slavinu za mlaz vode, otvorite utika? prijemnika i isperite sumpornu kiselinu s kraja cijevi za hla?enje. Zamijenite drugim prijemnikom iste zapremine od 0,01 N. rastvor sumporne kiseline, uradite drugu destilaciju.

Izlaz: 1 ml 0,01 N. sumporna kiselina ili natrijum hidroksid odgovara 0,14 mg.
Razlika izme?u koli?ine sumporne kiseline stavljene u prijemnik i koli?ine natrijum hidroksida uzetog tokom titracije, proizvedene od 0,14 mg, jednaka je koli?ini preostalog azota u 1 ml krvi koja se ispituje. Da biste prikazali koli?inu du?ika u -, trebate pomno?iti sa 100.

Valence je sposobnost hemijskih elemenata da zadr?e odre?eni broj atoma drugih elemenata. Istovremeno, to je broj veza koje formira dati atom sa drugim atomima. Odre?ivanje valencije je prili?no jednostavno.

Instrukcije

Imajte na umu da je valencija atoma nekih elemenata konstantna, dok su drugi promjenjivi, odnosno imaju tendenciju promjene. Na primjer, vodonik u svim jedinjenjima je jednovalentan, jer formira samo jedan. Kiseonik je sposoban da formira dve veze, dok je dvovalentan. Ali mo?ete imati II, IV ili VI. Sve ovisi o elementu s kojim je povezan. Dakle, sumpor je element sa promenljivom valentno??u.

Imajte na umu da je u molekulima jedinjenja vodonika izra?unavanje valencije vrlo jednostavno. Vodik je uvijek monovalentan, a ovaj indikator za element povezan s njim bit ?e jednak broju atoma vodika u datoj molekuli. Na primjer, u CaH2 kalcijum ?e biti dvovalentan.

Zapamtite glavno pravilo za odre?ivanje valencije: proizvod valentnog indeksa atoma bilo kojeg elementa i broja njegovih atoma u bilo kojoj molekuli je proizvod valentnog indeksa atoma drugog elementa i broja njegovih atoma u dati molekul.

Pogledajte formulu slova za ovu jednakost: V1 x K1 = V2 x K2, gdje je V valencija atoma elemenata, a K broj atoma u molekulu. Uz njegovu pomo?, lako je odrediti indeks valencije bilo kojeg elementa ako su poznati preostali podaci.

Razmotrimo primjer molekule sumpor-oksida SO2. Kiseonik u svim jedinjenjima je dvovalentan, stoga, zameniv?i vrednosti u proporciju: Voxygen x Oxygen = Vsulphur x Xers, dobijamo: 2 x 2 = Vsulphur x 2. Odavde Vsulphur = 4/2 = 2. Dakle , valencija sumpora u ovom molekulu je jednaka 2.

Video na temu

Elektron- najlak?a elektri?no nabijena ?estica koja je uklju?ena u gotovo sve elektri?ne pojave. Zbog svoje male mase najvi?e je uklju?en u razvoj kvantne mehanike. Ove brze ?estice na?le su ?iroku primenu u oblasti moderne nauke i tehnologije.

Rije? ?lektron je gr?ka. To je ono ?to je elektronu dalo ime. Ovo je prevedeno kao "?ilibar". Svojedobno su gr?ki prirodoslovci provodili razne eksperimente s vunom od komada jantara, koji su tada po?eli privla?iti razne male predmete. Elektron om je naziv za negativno nabijenu ?esticu, koja je jedna od osnovnih jedinica koje ?ine strukturu materije. Elektron?koljke atoma sastoje se od elektrona, a njihov polo?aj i broj odre?uju hemijska svojstva supstance. O broju elektrona u atomima razli?itih supstanci mo?ete saznati iz tabele hemijskih elemenata koju je sastavio D.I. Mendeljejev. Broj protona u jezgru atoma uvijek je jednak broju elektrona koji bi trebao biti u elektronskoj ljusci atoma date supstance. Elektron Okre?u se oko jezgra velikom brzinom, pa stoga ne "" na jezgru. Ovo je jasno uporedivo sa Mjesecom koji ne pada, uprkos ?injenici da ga Zemlja privla?i.Savremeni koncepti fizike elementarnih ?estica ukazuju na besstrukturnost i nedjeljivost. Kretanje ovih ?estica u poluvodi?ima omogu?ava lak prijenos i upravljanje energijom. Ovo svojstvo se ?iroko koristi u elektronici, svakodnevnom ?ivotu, industriji i komunikacijama. Unato? ?injenici da je brzina elektrona u provodnicima vrlo mala, elektri?no polje se mo?e ?iriti brzinom svjetlosti. Zahvaljuju?i tome, trenutno se uspostavlja struja u krugu. Elektron Osim korpuskularnih, imaju i valna svojstva. U?estvuju u gravitacionim, slabim i elektromagnetnim interakcijama. Stabilnost elektrona proizlazi iz zakona odr?anja energije i naboja. Ova ?estica je najlak?a od naelektrisanih ?estica i stoga se ne mo?e raspasti ni u ?ta. Raspad na lak?e ?estice po zakonu odr?anja naelektrisanja, a na te?e ?estice od ?estica zabranjen je zakonom odr?anja energije. O ta?nosti sa kojom je ispunjen zakon odr?anja naelektrisanja mo?e se suditi po ?injenici da elektron ne gubi naelektrisanje najmanje deset godina.

Video na temu

?ta je neutron? Koja je njegova struktura, svojstva i funkcije? Neutroni su najve?e ?estice koje sa?injavaju atome, gradivne blokove sve materije.

Atomska struktura

Neutroni se nalaze u jezgru, gustom podru?ju atoma tako?er ispunjenom protonima (pozitivno nabijene ?estice). Ova dva elementa dr?i zajedno sila koja se zove nuklearna. Neutroni imaju neutralni naboj. Pozitivni naboj protona se poklapa s negativnim nabojem elektrona kako bi se stvorio neutralni atom. Iako neutroni u jezgri ne uti?u na naboj atoma, oni i dalje imaju mnoga svojstva koja uti?u na atom, uklju?uju?i nivo radioaktivnosti.

Neutroni, izotopi i radioaktivnost

?estica koja se nalazi u jezgru atoma je neutron koji je 0,2% ve?i od protona. Zajedno ?ine 99,99% ukupne mase istog elementa i mogu imati razli?it broj neutrona. Kada nau?nici govore o atomskoj masi, oni misle na prosje?nu atomsku masu. Na primjer, ugljik obi?no ima 6 neutrona i 6 protona s atomskom masom od 12, ali ponekad se mo?e na?i i sa atomskom masom od 13 (6 protona i 7 neutrona). Ugljik s atomskim brojem 14 tako?er postoji, ali je rijedak. Dakle, atomska masa za ugljenik je u proseku 12,011.

Kada atomi imaju razli?it broj neutrona, nazivaju se izotopi. Nau?nici su prona?li na?ine da dodaju ove ?estice u jezgro kako bi stvorili ve?e izotope. Sada dodavanje neutrona ne uti?e na naboj atoma jer oni nemaju naboj. Me?utim, oni pove?avaju radioaktivnost atoma. To mo?e rezultirati vrlo nestabilnim atomima koji mogu ispu?tati visoke nivoe energije.

?ta je jezgro?

U hemiji, jezgro je pozitivno nabijeno sredi?te atoma, koje se sastoji od protona i neutrona. Rije? "jezgro" dolazi od latinskog nucleus, ?to je oblik rije?i koja zna?i "ora?" ili "jezgro". Termin je 1844. skovao Michael Faraday da opi?e centar atoma. Nauke koje se bave prou?avanjem jezgra, prou?avanjem njegovog sastava i karakteristika, nazivaju se nuklearna fizika i nuklearna hemija.

Jaka nuklearna sila dr?i zajedno protone i neutrone. Elektroni su privu?eni jezgrom, ali se kre?u tako brzo da se njihova rotacija doga?a na odre?enoj udaljenosti od centra atoma. Nuklearni naboj sa znakom plus dolazi od protona, ali ?ta je neutron? Ovo je ?estica koja nema elektri?ni naboj. Gotovo sva te?ina atoma sadr?ana je u jezgri, budu?i da protoni i neutroni imaju mnogo ve?u masu od elektrona. Broj protona u atomskom jezgru odre?uje njegov identitet kao elementa. Broj neutrona pokazuje koji je izotop elementa atom.

Veli?ina atomskog jezgra

Jezgro je mnogo manje od ukupnog pre?nika atoma jer elektroni mogu biti dalje od centra. Atom vodonika je 145.000 puta ve?i od svog jezgra, a atom uranijuma je 23.000 puta ve?i od njegovog centra. Jezgro vodika je najmanje jer se sastoji od jednog protona.

Raspored protona i neutrona u jezgru

Proton i neutroni se obi?no prikazuju kao spakovani zajedno i ravnomjerno raspore?eni u sfere. Me?utim, ovo je pojednostavljenje stvarne strukture. Svaki nukleon (proton ili neutron) mo?e zauzeti odre?eni energetski nivo i raspon lokacija. Dok jezgro mo?e biti sferno, mo?e biti i kru?kolikog, sfernog ili diskastog oblika.

Jezgra protona i neutrona su barioni, koji se sastoje od najmanjih zvanih kvarkovi. Privla?na sila ima veoma kratak domet, tako da protoni i neutroni moraju biti veoma blizu jedan drugom da bi bili vezani. Ova sna?na privla?nost pobje?uje prirodnu odbojnost nabijenih protona.

Proton, neutron i elektron

Sna?an poticaj u razvoju takve nauke kao ?to je nuklearna fizika bilo je otkri?e neutrona (1932). Za to treba zahvaliti engleskom fizi?aru koji je bio Rutherfordov u?enik. ?ta je neutron? Ovo je nestabilna ?estica koja se u slobodnom stanju mo?e raspasti na proton, elektron i neutrino, takozvanu neutralnu ?esticu bez mase, za samo 15 minuta.

?estica je dobila ime jer nema elektri?ni naboj, neutralna je. Neutroni su izuzetno gusti. U izolovanom stanju, jedan neutron ?e imati masu od samo 1,67·10 - 27, a ako uzmete ka?i?icu gusto nabijenu neutronima, dobijeni komad materije ?e te?iti milionima tona.

Broj protona u jezgru elementa naziva se atomski broj. Ovaj broj daje svakom elementu njegov jedinstveni identitet. U atomima nekih elemenata, kao ?to je ugljik, broj protona u jezgrima je uvijek isti, ali broj neutrona mo?e varirati. Atom danog elementa sa odre?enim brojem neutrona u jezgri naziva se izotop.

Jesu li pojedina?ni neutroni opasni?

?ta je neutron? Ovo je ?estica koja je, zajedno sa protonom, uklju?ena u. Me?utim, ponekad mogu postojati i same. Kada su neutroni izvan jezgri atoma, oni stje?u potencijalno opasna svojstva. Kada se kre?u velikom brzinom, proizvode smrtonosno zra?enje. Takozvane neutronske bombe, poznate po svojoj sposobnosti da ubijaju ljude i ?ivotinje, imaju minimalan u?inak na ne?ive fizi?ke strukture.

Neutroni su veoma va?an deo atoma. Velika gustina ovih ?estica, u kombinaciji sa njihovom brzinom, daje im ekstremnu razornu mo? i energiju. Kao rezultat toga, oni mogu promijeniti ili ?ak razdvojiti jezgre atoma koje udare. Iako neutron ima neto neutralni elektri?ni naboj, on se sastoji od nabijenih komponenti koje se me?usobno poni?tavaju u odnosu na naboj.

Neutron u atomu je si?u?na ?estica. Kao i protoni, oni su premali da bi se mogli vidjeti ?ak i elektronskim mikroskopom, ali su tu jer je to jedini na?in da se objasni pona?anje atoma. Neutroni su veoma va?ni za stabilnost atoma, ali izvan njegovog atomskog centra ne mogu postojati dugo i raspadaju se u proseku za samo 885 sekundi (oko 15 minuta).

• Prevod

U sredi?tu svakog atoma nalazi se jezgro, si?u?na kolekcija ?estica zvanih protoni i neutroni. U ovom ?lanku ?emo prou?avati prirodu protona i neutrona, koji se sastoje od jo? manjih ?estica - kvarkova, gluona i antikvarkova. (Gluoni su, kao i fotoni, njihove vlastite anti?estice.) Kvarkovi i gluoni, koliko znamo, mogu biti zaista elementarni (nedjeljivi i ne sastoje se od ni?ega manjeg po veli?ini). Ali njima kasnije.

Iznena?uju?e, protoni i neutroni imaju skoro istu masu - ta?no u procentima:

• 0,93827 GeV/c 2 za proton,
• 0,93957 GeV/c 2 za neutron.

To je klju? njihove prirode - oni su zapravo vrlo sli?ni. Da, postoji jedna o?igledna razlika izme?u njih: proton ima pozitivan elektri?ni naboj, dok neutron nema naboj (neutralan je, otuda i njegovo ime). Prema tome, elektri?ne sile djeluju na prvu, ali ne i na drugu. Na prvi pogled ova razlika izgleda veoma va?na! Ali zapravo nije. U svim drugim zna?enjima, proton i neutron su skoro blizanci. Ne samo da su njihove mase identi?ne, ve? i njihova unutra?nja struktura.

Zbog toga ?to su toliko sli?ni i zato ?to ove ?estice ?ine jezgra, protoni i neutroni se ?esto nazivaju nukleoni.

Protoni su identificirani i opisani oko 1920. (iako su otkriveni ranije; jezgro atoma vodika je samo jedan proton), a neutroni su otkriveni oko 1933. godine. Gotovo odmah se shvatilo da su protoni i neutroni toliko sli?ni jedni drugima. Ali ?injenica da imaju mjerljivu veli?inu uporedivu s veli?inom jezgra (oko 100.000 puta manjeg radijusa od atoma) nije bila poznata sve do 1954. godine. Da se sastoje od kvarkova, antikvarkova i gluona postepeno se shvatalo od sredine 1960-ih do sredine 1970-ih. Do kasnih 70-ih i ranih 80-ih, na?e razumijevanje protona, neutrona i onoga od ?ega su napravljeni uvelike se smirilo i od tada je ostalo nepromijenjeno.

Nukleone je mnogo te?e opisati nego atome ili jezgra. Da ne ka?em da su atomi u principu jednostavni, ali se barem mo?e bez razmi?ljanja re?i da se atom helija sastoji od dva elektrona u orbiti oko malenog jezgra helijuma; a jezgro helijuma je prili?no jednostavna grupa od dva neutrona i dva protona. Ali s nukleonima sve nije tako jednostavno. Ve? sam napisao u ?lanku „?ta je proton i ?ta je u njemu?“ da je atom poput elegantnog menueta, a nukleon kao divlje zabave.

?ini se da je slo?enost protona i neutrona istinita i ne proizlazi iz nepotpunog poznavanja fizike. Imamo jednad?be koje se koriste za opisivanje kvarkova, antikvarkova i gluona i jakih nuklearnih interakcija koje se javljaju izme?u njih. Ove jednad?be se nazivaju QCD, iz kvantne hromodinamike. Ta?nost jedna?ina mo?e se testirati na razli?ite na?ine, uklju?uju?i mjerenje broja ?estica proizvedenih na Velikom hadronskom sudara?u. Ubacivanjem QCD jednad?bi u kompjuter i izvo?enjem prora?una o svojstvima protona i neutrona i drugih sli?nih ?estica (zajedno nazvanih "hadroni"), dobijamo predvi?anja svojstava ovih ?estica koja su usko pribli?na opa?anjima u stvarnom svijetu. Stoga imamo razloga vjerovati da QCD jednad?be ne la?u i da je na?e znanje o protonu i neutronu zasnovano na ta?nim jedna?inama. Ali samo imati prave jedna?ine nije dovoljno, jer:

• Jednostavne jednad?be mogu imati vrlo slo?ena rje?enja,
• Ponekad je nemogu?e opisati slo?ene odluke na jednostavan na?in.

Koliko mo?emo zaklju?iti, to je upravo slu?aj sa nukleonima: oni su slo?ena rje?enja relativno jednostavnih QCD jedna?ina i nije ih mogu?e opisati u par rije?i ili slika.

Zbog inherentne slo?enosti nukleona, vi, ?itaoci, mora?ete da napravite izbor: koliko ?elite da znate o opisanoj slo?enosti? Koliko god daleko i?li, to vam najvjerovatnije ne?e donijeti zadovoljstvo: ?to vi?e u?ite, tema ?e biti jasnija, ali kona?ni odgovor ?e ostati isti - proton i neutron su vrlo slo?eni. Mogu vam ponuditi tri nivoa razumijevanja, sa sve ve?im detaljima; mo?ete stati nakon bilo kojeg nivoa i pre?i na druge teme, ili mo?ete zaroniti do posljednjeg. Svaki nivo postavlja pitanja na koja mogu djelimi?no odgovoriti u sljede?em, ali novi odgovori otvaraju nova pitanja. Na kraju – kao ?to to ?inim u stru?nim diskusijama sa kolegama i naprednim studentima – mogu vas samo uputiti na podatke dobijene u stvarnim eksperimentima, na razli?ite uticajne teorijske argumente i kompjuterske simulacije.

Prvi nivo razumevanja

Od ?ega su napravljeni protoni i neutroni?

Rice. 1: previ?e pojednostavljena verzija protona, koja se sastoji od samo dva gornja kvarka i jednog donjeg kvarka, i neutrona, koji se sastoji od samo dva donja kvarka i jednog gornjeg kvarka

Da pojednostavimo stvari, mnoge knjige, ?lanci i web stranice navode da se protoni sastoje od tri kvarka (dva gornja i jedan donji kvark) i crtaju ne?to poput Sl. 1. Neutron je isti, samo se sastoji od jednog gore i dva donja kvarka. Ova jednostavna slika ilustruje ono u ?ta su neki nau?nici vjerovali, uglavnom 1960-ih. Ali ubrzo je postalo jasno da je ova ta?ka gledi?ta previ?e pojednostavljena do te mere da vi?e nije ta?na.

Iz sofisticiranijih izvora informacija saznat ?ete da se protoni sastoje od tri kvarka (dva gore i jedan dolje) koje zajedno dr?e gluoni - i mo?e se pojaviti slika sli?na slici 1. 2, gdje su gluoni izvu?eni kao opruge ili ?ice koje dr?e kvarkove. Neutroni su isti, samo sa jednim gornjim kvarkom i dva donja kvarkom.

Rice. 2: pobolj?anje sl. 1 zbog isticanja va?ne uloge jake nuklearne sile, koja dr?i kvarkove u protonu

Ovo i nije tako lo? na?in da se opi?e nukleoni, jer nagla?ava va?nu ulogu jake nuklearne sile, koja dr?i kvarkove u protonu na ra?un gluona (ba? kao ?to je foton, ?estica koja ?ini svjetlost, povezana s elektromagnetna sila). Ali ovo je tako?e zbunjuju?e jer zapravo ne obja?njava ?ta su gluoni ili ?ta rade.

Postoje razlozi da nastavim i opi?em stvari na na?in na koji sam ja radio: proton se sastoji od tri kvarka (dva gore i jedan dolje), gomile gluona i brda parova kvark-antikvark (uglavnom gore i dolje kvarkovi, ali ima i nekoliko ?udnih) . Svi oni lete napred-nazad veoma velikim brzinama (pribli?avaju se brzini svetlosti); cijeli ovaj set dr?i na okupu sna?na nuklearna sila. To sam demonstrirao na sl. 3. Neutroni su opet isti, ali sa jednim gore i dva donja kvarka; Kvark koji je promijenio svoj identitet ozna?en je strelicom.

Rice. 3: realisti?nija, iako jo? nesavr?ena, predstava protona i neutrona

Ovi kvarkovi, antikvarkovi i gluoni ne samo da divlje jure naprijed-nazad, ve? se i sudaraju i pretvaraju jedan u drugi kroz procese kao ?to je anihilacija ?estica (u kojoj se kvark i antikvark istog tipa pretvaraju u dva gluona, ili obrnuto) ili apsorpcija i emisija gluona (u kojoj se kvark i gluon mogu sudarati i proizvesti kvark i dva gluona, ili obrnuto).

?ta je zajedni?ko ova tri opisa:

• Dva gornja kvarka i donji kvark (plus ne?to drugo) za proton.
• Neutron ima jedan gornji kvark i dva donja kvark (plus ne?to drugo).
• “Ne?to drugo” neutrona poklapa se sa “ne?im drugim” protona. To jest, nukleoni imaju isto "ne?to drugo".
• Mala razlika u masi izme?u protona i neutrona pojavljuje se zbog razlike u masama donjeg i gornjeg kvarka.

I, jer:

• za top kvarkove elektri?ni naboj je jednak 2/3 e (gdje je e naboj protona, -e je naboj elektrona),
• donji kvarkovi imaju naelektrisanje od -1/3e,
• gluoni imaju naelektrisanje 0,
• bilo koji kvark i njegov odgovaraju?i antikvark imaju ukupan naboj od 0 (na primjer, antidown kvark ima naboj od +1/3e, tako da ?e down kvark i down kvark imati naboj od –1/3 e +1/3 e = 0),

Svaka figura dodeljuje elektri?ni naboj protona dvama gornjim kvarkom i jednom donjem kvarku, a "ne?to drugo" naboju dodaje 0. Isto tako, neutron ima nulti naboj zbog jednog gornjeg i dva donja kvarka:

• ukupni elektri?ni naboj protona je 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• ukupni elektri?ni naboj neutrona je 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

Ovi opisi se razlikuju na sljede?e na?ine:

• koliko je "ne?eg drugog" unutar nukleona,
• ?ta radi tamo
• odakle dolazi masa i masena energija (E = mc 2, energija prisutna tamo ?ak i kada ?estica miruje) nukleona.

Budu?i da je ve?ina mase atoma, a samim tim i cjelokupne obi?ne materije, sadr?ana u protonima i neutronima, ovo drugo je izuzetno va?no za ispravno razumijevanje na?e prirode.

Rice. 1 ka?e da su kvarkovi u su?tini tre?ina nukleona, sli?no kao ?to je proton ili neutron ?etvrtina jezgra helijuma ili 1/12 jezgra ugljika. Da je ova slika istinita, kvarkovi u nukleonu bi se kretali relativno sporo (brzinama mnogo sporijim od svjetlosti) uz relativno slabe interakcije koje bi djelovale izme?u njih (iako s nekom mo?nom silom koja ih dr?i na mjestu). Masa kvarka, gore i dolje, tada bi bila reda veli?ine 0,3 GeV/c 2 , oko tre?ine mase protona. Ali ova jednostavna slika i ideje koje name?e jednostavno su pogre?ne.

Rice. 3. daje potpuno druga?iju ideju o protonu, kao kotao ?estica koje se u njemu motaju brzinom blizu svjetlosti. Ove ?estice se sudaraju jedna s drugom i u tim sudarima neke od njih se poni?tavaju, a druge nastaju na njihovom mjestu. Gluoni nemaju masu, mase gornjih kvarkova su reda veli?ine 0,004 GeV/c 2 , a mase donjih kvarkova su reda 0,008 GeV/c 2 - stotine puta manje od protona. Odakle dolazi energija mase protona je slo?eno pitanje: dio dolazi od energije mase kvarkova i antikvarkova, dio od energije kretanja kvarkova, antikvarkova i gluona, a dio (mogu?e pozitivan, mo?da negativan ) od energije pohranjene u sna?noj nuklearnoj interakciji, dr?e?i kvarkove, antikvarkove i gluone zajedno.

U izvesnom smislu, Sl. 2 poku?aja da se rije?i razlika izme?u Sl. 1 i sl. 3. Pojednostavljuje sliku. 3, uklanjaju?i mnoge parove kvark-antikvark, koji se u principu mogu nazvati efemernim, budu?i da se stalno pojavljuju i nestaju i nisu potrebni. Ali ostavlja se utisak da su gluoni u nukleonima direktan dio jake nuklearne sile koja dr?i protone zajedno. I ne obja?njava odakle dolazi masa protona.

Na sl. 1 postoji jo? jedan nedostatak, pored uskih okvira protona i neutrona. Ne obja?njava neka svojstva drugih hadrona, na primjer, piona i rho mezona. Fig. ima iste probleme. 2.

Ova ograni?enja su dovela do toga da svojim u?enicima i na svojoj web stranici dajem sliku sa Sl. 3. Ali ?elim da vas upozorim da ima i mnoga ograni?enja, o kojima ?u kasnije govoriti.

Vrijedi napomenuti da je ekstremna slo?enost strukture koju implicira sl. 3 bi se o?ekivalo od objekta koji zajedno dr?i sila mo?na poput jake nuklearne sile. I jo? ne?to: tri kvarka (dva gore i jedan dolje za proton) koji nisu dio grupe parova kvark-antikvark ?esto se nazivaju "valentnim kvarkovima", a parovi kvark-antikvark nazivaju se "morem od kvarkovi parovi”. Takav jezik je tehni?ki pogodan u mnogim slu?ajevima. Ali ostavlja se la?an utisak da ako biste mogli da pogledate unutar protona i pogledate odre?eni kvark, odmah biste mogli da utvrdite da li je deo mora ili valentni. To se ne mo?e uraditi, jednostavno ne postoji takav na?in.

Masa protona i masa neutrona

Budu?i da su mase protona i neutrona toliko sli?ne, i po?to se proton i neutron razlikuju samo po zamjeni gornjeg kvarka donjim kvarkom, ?ini se vjerojatnim da su njihove mase dobivene na isti na?in, dolaze iz istog izvora , a njihova razlika le?i u maloj razlici izme?u gornjih i donjih kvarkova. Ali tri gornje figure ukazuju na prisustvo tri vrlo razli?ita pogleda na porijeklo mase protona.

Rice. 1 ka?e da gornji i donji kvarkovi jednostavno ?ine 1/3 mase protona i neutrona: reda veli?ine 0,313 GeV/c 2, ili zbog energije potrebne da se kvarkovi dr?e u protonu. A po?to je razlika izme?u masa protona i neutrona djeli? procenta, razlika izme?u masa gornjeg i donjeg kvarka tako?er mora biti djeli? procenta.

Rice. 2 je manje jasan. Koliki je dio mase protona zbog gluona? Ali, u principu, iz slike slijedi da ve?ina mase protona jo? uvijek dolazi od mase kvarkova, kao na sl. 1.

Rice. 3 odra?ava nijansiraniji pristup tome kako masa protona zapravo nastaje (kao ?to mo?emo testirati direktno kompjuterskim prora?unima protona, a indirektno koriste?i druge matemati?ke metode). Veoma se razlikuje od ideja predstavljenih na sl. 1 i 2, a ispostavilo se da nije tako jednostavno.

Da biste razumjeli kako ovo funkcionira, morate razmi?ljati ne u smislu mase protona m, ve? u smislu njegove masene energije E = mc 2 , energije povezane s masom. Konceptualno, ispravno pitanje nije "odakle dolazi masa protona m", nakon ?ega mo?ete izra?unati E mno?enjem m sa c2, ve? obrnuto: "odakle dolazi energija mase protona E, ” nakon ?ega mo?ete izra?unati masu m dijeljenjem E sa c 2 .

Korisno je klasifikovati doprinose energiji mase protona u tri grupe:

A) Energija mase (energija mirovanja) kvarkova i antikvarkova koji se nalaze u njoj (gluoni, bezmasene ?estice, ne daju nikakav doprinos).
B) Energija kretanja (kineti?ka energija) kvarkova, antikvarkova i gluona.
C) Energija interakcije (energija vezivanja ili potencijalna energija) pohranjena u jakoj nuklearnoj interakciji (ta?nije, u poljima gluona) koja dr?i proton.

Rice. 3 ka?e da se ?estice unutar protona kre?u velikom brzinom i da je pun gluona bez mase, pa je doprinos B) ve?i od A). Obi?no se u ve?ini fizi?kih sistema B) i C) ispostavi da su uporedivi, dok je C) ?esto negativan. Dakle, energija mase protona (i neutrona) uglavnom dolazi od kombinacije B) i C), pri ?emu A) doprinosi malom udjelu. Stoga se mase protona i neutrona pojavljuju uglavnom ne zbog masa ?estica koje sadr?e, ve? zbog energija kretanja ovih ?estica i energije njihove interakcije povezane s poljima gluona koja stvaraju sile koje dr?e proton. U ve?ini drugih nama poznatih sistema, energetski bilans je druga?ije raspore?en. Na primjer, u atomima i u Sun?evom sistemu A) dominira, a B) i C) su mnogo manji i uporedivi po veli?ini.

Da rezimiramo, isti?emo da:

• Rice. 1 pretpostavlja da energija mase protona dolazi iz doprinosa A).
• Rice. 2 pretpostavlja da su oba doprinosa A) i B) va?na, pri ?emu B) daje mali doprinos.
• Rice. 3 sugerira da su B) i C) va?ni, a doprinos A) je bezna?ajan.

Znamo da je slika ta?na. 3. Mo?emo pokrenuti kompjuterske simulacije da bismo to testirali, i ?to je jo? va?nije, zahvaljuju?i raznim uvjerljivim teorijskim argumentima, znamo da kada bi mase kvarka gore i dolje bile nula (a sve ostalo je ostalo kako jeste), masa protona bi bila prakti?no nula bi se promijenila. Dakle, o?igledno, mase kvarkova ne mogu da daju va?an doprinos masi protona.

Ako je sl. 3 ne la?e, mase kvarka i antikvarka su vrlo male. Kakvi su oni zapravo? Masa gornjeg kvarka (kao i antikvarka) ne prelazi 0,005 GeV/c 2, ?to je mnogo manje od 0,313 GeV/c 2, ?to slijedi iz Sl. 1. (Masa up kvarka je te?ko izmjeriti i varira zbog suptilnih efekata, tako da mo?e biti mnogo manja od 0,005 GeV/c2). Masa donjeg kvarka je otprilike 0,004 GeV/s 2 ve?a od mase gornjeg kvarka. To zna?i da masa bilo kojeg kvarka ili antikvarka ne prelazi jedan posto mase protona.

Imajte na umu da to zna?i (suprotno slici 1) da se omjer donjeg kvarka i mase gornjeg kvarka ne pribli?ava jedinici! Masa donjeg kvarka je najmanje dvostruko ve?a od mase gornjeg kvarka. Razlog zbog kojeg su mase neutrona i protona toliko sli?ne nije zato ?to su mase kvarkova gore i dolje sli?ne, ve? zato ?to su mase gornjeg i donjeg kvarkova vrlo male - a razlika izme?u njih je mala, relativna na mase protona i neutrona. Zapamtite da da biste pretvorili proton u neutron, jednostavno trebate zamijeniti jedan od njegovih gornjih kvarkova donjim kvarkom (slika 3). Ova zamjena je dovoljna da neutron postane ne?to te?i od protona i promijeni njegov naboj sa +e na 0.

Ina?e, ?injenica da se razli?ite ?estice unutar protona sudaraju jedna s drugom, te da se stalno pojavljuju i nestaju, ne uti?e na stvari o kojima razgovaramo – energija se ?uva u svakom sudaru. Energija mase i energija kretanja kvarkova i gluona mogu se mijenjati, kao i energija njihove interakcije, ali ukupna energija protona se ne mijenja, iako se sve unutar njega stalno mijenja. Dakle, masa protona ostaje konstantna, uprkos njegovom unutra?njem vrtlogu.

U ovom trenutku mo?ete se zaustaviti i apsorbirati primljene informacije. Nevjerovatno! Gotovo sva masa sadr?ana u obi?noj materiji dolazi od mase nukleona u atomima. A ve?ina ove mase dolazi od haosa koji je svojstven protonu i neutronu - od energije kretanja kvarkova, gluona i antikvarkova u nukleonima, i od energije jakih nuklearnih interakcija koje dr?e nukleon u cijelom stanju. Da: na?a planeta, na?a tijela, na? dah rezultat su takve tihe i donedavno nezamislive gu?ve.