->

Mnoho lid? ze ?koly dob?e v?, ?e v?echny l?tky se skl?daj? z atom?. Atomy se zase skl?daj? z proton? a neutron?, kter? tvo?? j?dro atom? a elektron? um?st?n?ch v ur?it? vzd?lenosti od j?dra. Mnoz? tak? sly?eli, ?e sv?tlo se skl?d? tak? z ??stic – foton?. Sv?t ??stic se v?ak neomezuje pouze na toto. K dne?n?mu dni je zn?mo v?ce ne? 400 r?zn?ch element?rn?ch ??stic. Pokusme se pochopit, jak se od sebe element?rn? ??stice li??.

Existuje mnoho parametr?, kter?mi lze element?rn? ??stice od sebe odli?it:

• Hmotnost.
• Elektrick? n?boj.
• ?ivot. T?m?? v?echny element?rn? ??stice maj? kone?nou dobu ?ivota, po kter? se rozpadaj?.
• Rozto?it. Lze jej velmi p?ibli?n? pova?ovat za rota?n? moment.

Je?t? p?r parametr?, nebo jak se jim b??n? ??k? ve v?d? o kvantov?ch ??slech. Tyto parametry nemaj? v?dy jasn? fyzik?ln? v?znam, ale jsou pot?ebn? k odli?en? n?kter?ch ??stic od jin?ch. V?echny tyto dodate?n? parametry jsou zavedeny jako n?jak? veli?iny, kter? jsou v interakci zachov?ny.

T?m?? v?echny ??stice maj? hmotnost, krom? foton? a neutrin (podle posledn?ch ?daj? maj? neutrina hmotnost, ale tak malou, ?e je ?asto pova?ov?na za nulovou). Bez hmoty mohou ??stice existovat pouze v pohybu. V?echny ??stice maj? r?zn? hmotnosti. Elektron m? nejmen?? hmotnost, nepo??taje neutrina. ??stice zvan? mezony maj? hmotnost 300-400kr?t v?t?? ne? hmotnost elektronu, proton a neutron jsou t?m?? 2000kr?t t???? ne? elektron. Nyn? byly objeveny ??stice, kter? jsou t?m?? 100kr?t t???? ne? proton. Hmotnost (nebo jej? energetick? ekvivalent podle Einsteinova vzorce:

je zachov?na ve v?ech interakc?ch element?rn?ch ??stic.

Ne v?echny ??stice maj? elektrick? n?boj, co? znamen?, ?e ne v?echny ??stice se mohou ??astnit elektromagnetick? interakce. V?echny voln? existuj?c? ??stice maj? elektrick? n?boj, kter? je n?sobkem elektronov?ho n?boje. Krom? voln? existuj?c?ch ??stic existuj? i ??stice, kter? jsou pouze ve v?zan?m stavu, o nich bude ?e? o n?co pozd?ji;

Spin, stejn? jako jin? kvantov? ??sla, je pro r?zn? ??stice odli?n? a charakterizuje jejich jedine?nost. N?kter? kvantov? ??sla jsou zachov?na v n?kter?ch interakc?ch, n?kter? v jin?ch. V?echna tato kvantov? ??sla ur?uj?, kter? ??stice s k?m interaguj? a jak.

?ivotnost je tak? velmi d?le?itou charakteristikou ??stice a budeme ji zva?ovat podrobn?ji. Za?n?me pozn?mkou. Jak jsme si ?ekli na za??tku ?l?nku, v?e, co n?s obklopuje, se skl?d? z atom? (elektron?, proton? a neutron?) a sv?tla (foton?). A kde jsou potom stovky r?zn?ch typ? element?rn?ch ??stic? Odpov?? je jednoduch? – v?ude kolem n?s, ale my si toho nev?imneme ze dvou d?vod?.

Prvn? z nich je, ?e t?m?? v?echny ostatn? ??stice ?ij? velmi kr?tce, p?ibli?n? 10 a? minus 10 sekund nebo m?n?, a proto netvo?? takov? struktury jako atomy, krystalov? m???ky atd. Druh? d?vod se t?k? neutrin, a?koli se tyto ??stice nerozpadaj?, podl?haj? pouze slab?m a gravita?n?m interakc?m. To znamen?, ?e tyto ??stice interaguj? tak m?lo, ?e je t?m?? nelze detekovat.

Poj?me si p?edstavit, jak dob?e ??stice interaguje. Nap??klad tok elektron? m??e b?t zastaven docela tenk?m ocelov?m plechem v ??du n?kolika milimetr?. Stane se tak proto, ?e elektrony okam?it? za?nou interagovat s ??sticemi ocelov?ho plechu, budou prudce m?nit sv?j sm?r, emitovat fotony, a tak pom?rn? rychle ztr?cet energii. To nen? p??pad toku neutrin, kter? mohou proch?zet Zem? t?m?? bez interakc?. A proto je velmi obt??n? je odhalit.

V?t?ina ??stic tedy ?ije velmi kr?tkou dobu, po kter? se rozpadaj?. Rozpady ??stic jsou nej?ast?j?? reakce. V d?sledku rozpadu se jedna ??stice rozpadne na n?kolik dal??ch o men?? hmotnosti a ty se zase d?le rozpadaj?. V?echny rozpady se ??d? ur?it?mi pravidly - z?kony zachov?n?. Tak?e nap??klad v d?sledku rozpadu mus? b?t zachov?n elektrick? n?boj, hmotnost, spin a ?ada dal??ch kvantov?ch ??sel. N?kter? kvantov? ??sla se mohou b?hem rozpadu m?nit, ale tak? podl?haj? ur?it?m pravidl?m. Jsou to pravidla rozpadu, kter? n?m ??kaj?, ?e elektron a proton jsou stabiln? ??stice. Nemohou ji? d?le ch?trat podl?haj?c? pravidl?m rozkladu, a proto jsou to oni, kdo ukon?uj? ?et?zce rozkladu.

Zde bych r?d ?ekl p?r slov o neutronu. Voln? neutron se tak? rozpadne na proton a elektron asi za 15 minut. To se v?ak nestane, kdy? je neutron v atomov?m j?dru. Tuto skute?nost lze vysv?tlit r?zn?mi zp?soby. Kdy? se nap??klad v j?d?e atomu objev? elektron a nav?c proton z rozpadaj?c?ho se neutronu, okam?it? dojde k obr?cen? reakci – jeden z proton? pohlt? elektron a zm?n? se v neutron. Tento obraz se naz?v? dynamick? rovnov?ha. Byl pozorov?n ve vesm?ru v ran? f?zi jeho v?voje, kr?tce po velk?m t?esku.

Krom? rozpadov?ch reakc? existuj? tak? rozptylov? reakce - kdy dv? nebo v?ce ??stic interaguje sou?asn? a v d?sledku toho se z?sk? jedna nebo v?ce dal??ch ??stic. Existuj? tak? absorp?n? reakce, kdy dv? nebo v?ce ??stic vytvo?? jednu. V?echny reakce prob?haj? v d?sledku siln?ch slab?ch nebo elektromagnetick?ch interakc?. Reakce v d?sledku siln? interakce jsou nejrychlej??; doba takov? reakce m??e dos?hnout 10 minus 20 sekund. Rychlost reakc?, ke kter?m doch?z? v d?sledku elektromagnetick? interakce, je zde doba p?ibli?n? 10 minus 8 sekund. U slab?ch interak?n?ch reakc? m??e doba dosahovat des?tek sekund a n?kdy i let.

Na konci p??b?hu o ??stic?ch si pov?me n?co o kvarc?ch. Kvarky jsou element?rn? ??stice, kter? maj? elektrick? n?boj, kter? je n?sobkem t?etinov?ho n?boje elektronu a kter? nemohou existovat ve voln?m stavu. Jejich interakce je uspo??d?na tak, ?e mohou ??t pouze jako sou??st n??eho. Nap??klad kombinace t?? kvark? ur?it?ho typu tvo?? proton. Dal?? kombinac? vznik? neutron. Celkem je zn?mo 6 kvark?. Jejich r?zn? kombinace n?m d?vaj? r?zn? ??stice, a p?esto?e ne v?echny kombinace kvark? fyzik?ln? z?kony dovoluj?, existuje pom?rn? hodn? ??stic slo?en?ch z kvark?.

Zde m??e vyvstat ot?zka: jak lze proton nazvat element?rn?m, pokud se skl?d? z kvark?? Je to velmi jednoduch? - proton je element?rn?, proto?e ho nelze rozd?lit na jeho slo?ky - kvarky. V?echny ??stice, kter? se ??astn? siln? interakce, se skl?daj? z kvark? a z?rove? jsou element?rn?.

Pochopen? interakc? element?rn?ch ??stic je velmi d?le?it? pro pochopen? struktury vesm?ru. V?e, co se d?je s makrot?lesy, je v?sledkem interakce ??stic. Pr?v? interakce ??stic popisuje r?st strom? na zemi, reakce v nitru hv?zd, z??en? neutronov?ch hv?zd a mnoho dal??ho.

Pravd?podobnosti a kvantov? mechanika

>

Fyzici studiem struktury hmoty zjistili, z ?eho se skl?daj? atomy, dostali se k atomov?mu j?dru a roz?t?pili ho na protony a neutrony. V?echny tyto kroky byly d?ny celkem jednodu?e – sta?ilo ??stice urychlit na pot?ebnou energii, p?itla?it je k sob? a samy se pak rozpadly na jednotliv? ??sti.

Ale s protony a neutrony u? tento trik nefungoval. P?esto?e se jedn? o slo?en? ??stice, nemohou b?t „rozbity na kusy“ ani p?i nejn?siln?j?? sr??ce. Fyzik?m proto trvalo des?tky let, ne? p?i?li na r?zn? zp?soby, jak se pod?vat do nitra protonu, vid?t jeho strukturu a tvar. Dnes je studium struktury protonu jednou z nejaktivn?j??ch oblast? ??sticov? fyziky.

P??roda d?v? rady

Historie studia struktury proton? a neutron? sah? a? do 30. let minul?ho stolet?. Kdy? byly krom? proton? objeveny (1932) i neutrony po zm??en? jejich hmotnosti, fyzikov? s p?ekvapen?m zjistili, ?e je velmi bl?zko hmotnosti protonu. Nav?c se uk?zalo, ?e protony a neutrony „c?t?“ jadernou interakci ?pln? stejn?m zp?sobem. Tak identick?, ?e z hlediska jadern?ch sil lze proton a neutron pova?ovat za dva projevy t??e ??stice – nukleonu: proton je elektricky nabit? nukleon a neutron je neutr?ln? nukleon. V?m?na proton? za neutrony a jadern? s?ly si (t?m??) ni?eho nev?imnou.

Fyzici vyjad?uj? tuto vlastnost p??rody jako symetrii – jadern? interakce je symetrick? vzhledem k nahrazen? proton? neutrony, stejn? jako mot?l je symetrick? vzhledem k nahrazen? lev?ho za prav?. Tato symetrie, krom? toho, ?e hr?la d?le?itou roli v jadern? fyzice, byla vlastn? prvn?m n?znakem, ?e nukleony maj? zaj?mavou vnit?n? strukturu. Je pravda, ?e ve 30. letech si fyzici tento n?znak neuv?domovali.

Pochopen? p?i?lo pozd?ji. Za?alo to t?m, ?e ve 40.–50. letech 20. stolet? p?i reakc?ch sr??ek proton? s j?dry r?zn?ch prvk? v?dci s p?ekvapen?m objevovali st?le nov? a nov? ??stice. Ne protony, ne neutrony, ne do t? doby objeven? p?-mezony, kter? dr?? nukleony v j?drech, ale n?jak? ?pln? nov? ??stice. P?es ve?kerou svou rozmanitost m?ly tyto nov? ??stice dv? spole?n? vlastnosti. Za prv?, stejn? jako nukleony se velmi ochotn? ??astnily jadern?ch interakc? - nyn? se takov? ??stice naz?vaj? hadrony. A za druh? byly extr?mn? nestabiln?. Nejnestabiln?j?? z nich se rozpadly na jin? ??stice za pouhou biliontinu nanosekundy a nem?ly ani ?as let?t o velikosti atomov?ho j?dra!

Hadronov? „zoo“ byla dlouhou dobu ?pln?m nepo??dkem. Na konci 50. let se u? fyzici nau?ili pom?rn? hodn? r?zn?ch typ? hadron?, za?ali je mezi sebou porovn?vat a najednou vid?li v jejich vlastnostech ur?itou obecnou symetrii, a? periodicitu. Bylo navr?eno, ?e uvnit? v?ech hadron? (v?etn? nukleon?) jsou n?jak? jednoduch? objekty zvan? „kvarky“. Kombinac? kvark? r?zn?mi zp?soby je mo?n? z?skat r?zn? hadrony a p?esn? stejn?ho typu a se stejn?mi vlastnostmi, kter? byly objeveny v experimentu.

Co d?l? proton protonem?

Pot?, co fyzici objevili kvarkovou strukturu hadron? a zjistili, ?e kvarky existuj? v n?kolika r?zn?ch variant?ch, bylo jasn?, ?e z kvark? lze sestavit mnoho r?zn?ch ??stic. Tak?e nikoho nep?ekvapilo, kdy? n?sleduj?c? experimenty pokra?ovaly v hled?n? nov?ch hadron? jeden po druh?m. Ale mezi v?emi hadrony byla objevena cel? rodina ??stic, skl?daj?c? se, stejn? jako proton, pouze ze dvou u- kvarky a jeden d-kvark. Jak?si „bratr“ protonu. A tady na fyziky ?ekalo p?ekvapen?.

Ud?lejme si nejprve jedno jednoduch? pozorov?n?. M?me-li n?kolik objekt? sest?vaj?c?ch ze stejn?ch „cihel“, pak t???? p?edm?ty obsahuj? v?ce „cihel“ a leh?? obsahuj? m?n?. Jedn? se o velmi p?irozen? princip, kter? lze nazvat principem kombinace nebo principem nadstavby a perfektn? funguje jak v b??n?m ?ivot?, tak ve fyzice. Projevuje se to dokonce i ve struktu?e atomov?ch jader – v?dy? t???? j?dra se prost? skl?daj? z v?t??ho po?tu proton? a neutron?.

Na ?rovni kvark? v?ak tento princip v?bec nefunguje a fyzici, pravda, je?t? ?pln? nep?i?li na to pro?. Ukazuje se, ?e t??c? brat?i protonu se tak? skl?daj? ze stejn?ch kvark? jako proton, a?koli jsou jeden a p?l nebo dokonce dvakr?t t???? ne? proton. Li?? se od protonu (a li?? se od sebe) nikoli slo?en?, a vz?jemn? um?st?n? kvarky, podle stavu, ve kter?m jsou tyto kvarky v??i sob? navz?jem relativn?. Sta?? zm?nit vz?jemnou polohu kvark? – a z protonu z?sk?me dal??, znateln? t????, ??stici.

Co se stane, kdy? p?esto vezmete a shrom??d?te v?ce ne? t?i kvarky dohromady? Vznikne nov? t??k? ??stice? P?ekvapiv? to nebude fungovat - kvarky se rozpadnou na t?i a prom?n? se v n?kolik rozpt?len?ch ??stic. Z n?jak?ho d?vodu p??roda „nem? r?da“ spojov?n? mnoha kvark? do jednoho celku! Teprve velmi ned?vno, doslova v posledn?ch letech, se za?aly objevovat n?znaky, ?e n?jak? multikvarkov? ??stice existuj?, ale to jen zd?raz?uje, jak moc je p??roda nem? r?da.

Z t?to kombinatoriky vypl?v? velmi d?le?it? a hlubok? z?v?r – hmotnost hadron? se v?bec neskl?d? z hmotnosti kvark?. Ale pokud lze hmotnost hadronu zv??it nebo sn??it pouh?m rekombinac? jeho cihel, pak to nejsou kvarky samotn?, kdo je zodpov?dn? za hmotnost hadron?. A skute?n?, v n?sledn?ch experimentech bylo mo?n? zjistit, ?e hmotnost samotn?ch kvark? je jen asi dv? procenta hmotnosti protonu a zbytek gravitace vznik? d?ky silov?mu poli (speci?ln? ??stice - gluony), kter? v?zat kvarky dohromady. Zm?nou relativn? polohy kvark?, nap?. jejich odd?len?m od sebe, t?m zm?n?me gluonov? oblak, ??m? se stane hmotn?j??m, a proto se zvy?uje hmotnost hadronu (obr. 1).

Co se d?je uvnit? rychle se pohybuj?c?ho protonu?

V?e v??e popsan? se t?k? stacion?rn?ho protonu, ?e?? fyzik? jde o strukturu protonu v jeho klidov?m r?mci. V experimentu v?ak byla struktura protonu poprv? objevena za jin?ch podm?nek – uvnit? rychl? l?t?n? proton.

Koncem 60. let 20. stolet? bylo p?i experimentech se sr??kami ??stic na urychlova??ch zaznamen?no, ?e protony pohybuj?c? se rychlost? bl?zkou sv?tla se chovaly, jako by energie v nich nebyla distribuov?na rovnom?rn?, ale byla soust?ed?na do jednotliv?ch kompaktn?ch objekt?. Slavn? fyzik Richard Feynman navrhl naz?vat tyto shluky hmoty uvnit? proton? partons(z angli?tiny ??st -??st).

N?sledn? experimenty zkoumaly mnoho vlastnost? parton? – nap??klad jejich elektrick? n?boj, jejich po?et a zlomek protonov? energie, kterou ka?d? nese. Ukazuje se, ?e nabit? partony jsou kvarky a neutr?ln? partony jsou gluony. Ano, tyt?? gluony, kter? v klidov?m r?mci protonu jednodu?e „slou?ily“ kvark?m a p?itahovaly je k sob?, jsou nyn? nez?visl? partony a spolu s kvarky nesou „hmotu“ a energii rychle se pohybuj?c?ho protonu. Experimenty uk?zaly, ?e p?ibli?n? polovina energie je ulo?ena v kvarc?ch a polovina v gluonech.

Partony se nejv?hodn?ji studuj? p?i sr??k?ch proton? s elektrony. Faktem je, ?e na rozd?l od protonu se elektron ne??astn? siln?ch jadern?ch interakc? a jeho sr??ka s protonem vypad? velmi jednodu?e: elektron na velmi kr?tkou dobu vy?le virtu?ln? foton, kter? naraz? do nabit?ho partonu a nakonec vygeneruje velk? mno?stv? ??stic (obr. 2). D? se ??ci, ?e elektron je v?born?m skalpelem pro „otev?en?“ protonu a jeho rozd?len? na samostatn? ??sti – ov?em jen na velmi kr?tkou dobu. Kdy? v?me, jak ?asto k takov?m proces?m na urychlova?i doch?z?, m??eme zm??it po?et parton? uvnit? protonu a jejich n?boje.

Kdo jsou vlastn? Partonovi?

A zde se dost?v?me k dal??mu ??asn?mu objevu, kter? fyzikov? u?inili p?i studiu sr??ek element?rn?ch ??stic o vysok?ch energi?ch.

Za norm?ln?ch podm?nek m? ot?zka, z ?eho se ten ?i onen objekt skl?d?, univerz?ln? odpov?? pro v?echny referen?n? syst?my. Nap??klad molekula vody se skl?d? ze dvou atom? vod?ku a jednoho atomu kysl?ku – a je jedno, zda se d?v?me na stacion?rn? nebo pohybuj?c? se molekulu. Toto pravidlo se v?ak zd? tak p?irozen?! - je poru?ena, pokud mluv?me o element?rn?ch ??stic?ch pohybuj?c?ch se rychlost? bl?zkou rychlosti sv?tla. V jedn? vzta?n? soustav? m??e komplexn? ??stice sest?vat z jedn? sady pod??stic a v jin? vzta?n? soustav? z jin?. Uk?zalo se, ?e slo?en? je relativn? pojem!

Jak to m??e b?t? Kl??ov? je zde jedna d?le?it? vlastnost: po?et ??stic v na?em sv?t? nen? pevn? dan? – ??stice se mohou rodit a mizet. Pokud nap??klad stla??te k sob? dva elektrony s dostate?n? vysokou energi?, pak se krom? t?chto dvou elektron? m??e zrodit bu? foton, nebo elektron-pozitronov? p?r, nebo n?jak? dal?? ??stice. To v?e umo??uj? kvantov? z?kony a p?esn? to se d?je ve skute?n?ch experimentech.

Ale tento „z?kon nezachov?n?“ ??stic funguje v p??pad? koliz???stice. Jak se stane, ?e stejn? proton z r?zn?ch ?hl? pohledu vypad?, jako by se skl?dal z jin? sady ??stic? Jde o to, ?e proton nejsou jen t?i kvarky dohromady. Mezi kvarky je gluonov? silov? pole. Obecn? plat?, ?e silov? pole (jako je gravita?n? nebo elektrick? pole) je druh hmotn? „entity“, kter? prostupuje prostorem a umo??uje ??stic?m, aby na sebe navz?jem siln? ovliv?ovaly. V kvantov? teorii se pole skl?d? tak? z ??stic, i kdy? speci?ln?ch – virtu?ln?ch. Po?et t?chto ??stic nen? pevn? dan?; neust?le „vyl?taj?“ z kvark? a jsou absorbov?ny jin?mi kvarky.

Odpo?inek Proton si lze skute?n? p?edstavit jako t?i kvarky, mezi kter?mi p?eskakuj? gluony. Kdy? se ale na stejn? proton pod?v?me z jin? vzta?n? soustavy, jakoby z okna proj??d?j?c?ho „relativistick?ho vlaku“, uvid?me ?pln? jin? obr?zek. Tyto virtu?ln? gluony, kter? slepily kvarky dohromady, se budou zd?t m?n? virtu?ln?, „skute?n?j??“ ??stice. Ty se samoz?ejm? st?le rod? a pohlcuj? kvarky, ale z?rove? n?jakou dobu ?ij? samy a l?taj? vedle kvark? jako skute?n? ??stice. To, co v jedn? vzta?n? soustav? vypad? jako jednoduch? silov? pole, se v jin? soustav? m?n? v proud ??stic! V?imn?te si, ?e se nedot?k?me samotn?ho protonu, ale pouze se na n?j d?v?me z jin? vzta?n? soustavy.

D?le v?ce. ??m bl??e je rychlost na?eho „relativistick?ho vlaku“ rychlosti sv?tla, t?m ??asn?j?? obraz uvnit? protonu uvid?me. Jak se p?ibli?ujeme rychlosti sv?tla, v?imneme si, ?e uvnit? protonu je st?le v?ce gluon?. Nav?c se n?kdy rozd?l? na p?ry kvark-antikvark, kter? tak? l?taj? pobl?? a jsou tak? pova?ov?ny za partony. V d?sledku toho se ultrarelativistick? proton, tedy proton pohybuj?c? se v??i n?m rychlost? velmi bl?zkou rychlosti sv?tla, objevuje ve form? vz?jemn? se prostupuj?c?ch mra?en kvark?, antikvark? a gluon?, kter? spolu l?taj? a jako by se navz?jem podporovaly (obr. 3).

?ten?? obezn?men? s teori? relativity m??e m?t obavy. Cel? fyzika je zalo?ena na principu, ?e jak?koli proces prob?h? stejn?m zp?sobem ve v?ech inerci?ln?ch vzta?n?ch soustav?ch. Ukazuje se ale, ?e slo?en? protonu z?vis? na vzta?n? soustav?, ze kter? jej pozorujeme?!

Ano, p?esn?, ale to v ??dn?m p??pad? neporu?uje princip relativity. V?sledky fyzik?ln?ch proces? – nap??klad, kter? ??stice a kolik jich vznik? v d?sledku sr??ky – se ukazuj? jako nem?nn?, a?koli slo?en? protonu z?vis? na vzta?n? soustav?.

Tato situace, na prvn? pohled neobvykl?, ale spl?uj?c? v?echny fyzik?ln? z?kony, je schematicky zn?zorn?na na obr?zku 4. Ten ukazuje, jak vypad? sr??ka dvou proton? s vysokou energi? v r?zn?ch vzta?n?ch soustav?ch: ve zb?vaj?c? soustav? jednoho protonu, v t??i?t? sn?mku, v klidov?m r?mci jin?ho protonu . Interakce mezi protony se prov?d? prost?ednictv?m kask?dy ?t?p?c?ch gluon?, ale pouze v jednom p??pad? je tato kask?da pova?ov?na za „vnit?ek“ jednoho protonu, v jin?m p??pad? je pova?ov?na za sou??st jin?ho protonu a ve t?et?m je to prost? n?jak? objekt, kter? je vym??ov?n mezi dv?ma protony. Tato kask?da existuje, je skute?n?, ale kter? ??sti procesu by m?la b?t p?i?azena, z?vis? na referen?n?m r?mci.

3D portr?t protonu

V?echny v?sledky, o kter?ch jsme pr?v? mluvili, byly zalo?eny na experimentech proveden?ch p?ed pom?rn? dlouhou dobou – v 60.–70. letech minul?ho stolet?. Zd?lo by se, ?e od t? doby m?lo b?t v?e prostudov?no a v?echny ot?zky m?ly naj?t odpov?di. Ale ne – struktura protonu st?le z?st?v? jedn?m z nejzaj?mav?j??ch t?mat ??sticov? fyziky. Z?jem o n?j nav?c v posledn?ch letech op?t vzrostl, proto?e fyzici p?i?li na to, jak z?skat „trojrozm?rn?“ portr?t rychle se pohybuj?c?ho protonu, co? se uk?zalo b?t mnohem obt??n?j?? ne? portr?t stacion?rn?ho protonu.

Klasick? experimenty na sr??k?ch proton? vypov?daj? pouze o po?tu parton? a jejich energetick? distribuci. V takov?ch experimentech partony participuj? jako nez?visl? objekty, co? znamen?, ?e z nich nelze zjistit, jak jsou partony um?st?ny v??i sob? navz?jem, nebo jak p?esn? se s??taj? k protonu. D? se ??ci, ?e dlouhou dobu m?li fyzikov? k dispozici pouze „jednorozm?rn?“ portr?t rychle se pohybuj?c?ho protonu.

Aby bylo mo?n? sestrojit skute?n?, trojrozm?rn? portr?t protonu a zjistit rozlo?en? parton? v prostoru, je zapot?eb? mnohem jemn?j??ch experiment?, ne? jak? byly mo?n? p?ed 40 lety. Fyzici se nau?ili takov? experimenty prov?d?t pom?rn? ned?vno, doslova v posledn?m desetilet?. Uv?domili si, ?e mezi obrovsk?m mno?stv?m r?zn?ch reakc?, ke kter?m doch?z?, kdy? se elektron sraz? s protonem, existuje jedna zvl??tn? reakce - hlubok? virtu?ln? Compton?v rozptyl, - kter? n?m m??e napov?d?t o trojrozm?rn? struktu?e protonu.

Obecn? je Compton?v rozptyl nebo Compton?v efekt elastick? sr??ka fotonu s ??stic?, nap??klad protonem. Vypad? to takto: p?ilet? foton, je pohlcen protonem, kter? na kr?tkou dobu p?ejde do excitovan?ho stavu a pot? se vr?t? do p?vodn?ho stavu, p?i?em? v ur?it?m sm?ru vyz??? foton.

Compton?v rozptyl b??n?ch sv?teln?ch foton? nevede k ni?emu zaj?mav?mu – je to prost? odraz sv?tla od protonu. Aby vnit?n? struktura protonu „vstoupila do hry“ a rozlo?en? kvark? bylo „c?t?no“, je nutn? pou??t fotony s velmi vysokou energi? – miliardkr?t v?ce ne? v b??n?m sv?tle. A pr?v? takov? fotony – by? virtu?ln? – snadno generuje dopadaj?c? elektron. Pokud nyn? zkombinujeme jedno s druh?m, dostaneme hlubok? virtu?ln? Compton?v rozptyl (obr. 5).

Hlavn?m rysem t?to reakce je, ?e neni?? proton. Dopadaj?c? foton na proton nejenom naraz?, ale jakoby ho opatrn? nahmat? a pak odlet?. Sm?r, kter?m odl?t? a jakou ??st energie si z n?j proton vezme, z?vis? na struktu?e protonu, na relativn?m uspo??d?n? parton? uvnit? n?j. Proto je studiem tohoto procesu mo?n? obnovit trojrozm?rn? vzhled protonu, jako by „vytesal jeho sochu“.

Pravda, pro experiment?ln?ho fyzika je to velmi obt??n?. Po?adovan? proces se vyskytuje pom?rn? z??dka a je obt??n? jej zaregistrovat. Prvn? experiment?ln? ?daje o t?to reakci byly z?sk?ny a? v roce 2001 na urychlova?i HERA v n?meck?m urychlovac?m komplexu DESY v Hamburku; experiment?to?i nyn? zpracov?vaj? novou ?adu dat. Ji? dnes v?ak teoretici na z?klad? prvn?ch dat kresl? trojrozm?rn? rozlo?en? kvark? a gluon? v protonu. Z experimentu se nakonec za?ala „vyno?ovat“ fyzik?ln? veli?ina, o kter? se fyzikov? dosud pouze domn?vali.

?ekaj? n?s v t?to oblasti n?jak? ne?ekan? objevy? Je pravd?podobn?, ?e ano. Pro ilustraci uve?me, ?e v listopadu 2008 se objevil zaj?mav? teoretick? ?l?nek, kter? uv?d?, ?e rychle se pohybuj?c? proton by nem?l vypadat jako ploch? disk, ale jako bikonk?vn? ?o?ka. To se d?je proto, ?e partony sed?c? v centr?ln? oblasti protonu jsou stla?eny siln?ji v pod?ln?m sm?ru ne? partony sed?c? na okraj?ch. Bylo by velmi zaj?mav? tyto teoretick? p?edpov?di experiment?ln? otestovat!

Pro? je to v?echno pro fyziky zaj?mav??

Pro? fyzici v?bec pot?ebuj? p?esn? v?d?t, jak je hmota distribuov?na uvnit? proton? a neutron??

Za prv? to vy?aduje samotn? logika v?voje fyziky. Na sv?t? existuje mnoho ??asn? slo?it?ch syst?m?, s nimi? si modern? teoretick? fyzika je?t? ?pln? nev? rady. Jedn?m z takov?ch syst?m? jsou hadrony. Pochopen?m struktury hadron? zdokonalujeme schopnosti teoretick? fyziky, kter? se m??e uk?zat jako univerz?ln? a mo?n? pom??e v n??em ?pln? jin?m, nap??klad p?i studiu supravodi?? nebo jin?ch materi?l? s neobvykl?mi vlastnostmi.

Za druh?, existuje p??m? p??nos pro jadernou fyziku. Navzdory t?m?? stolet? historii studia atomov?ch jader teoretici st?le neznaj? p?esn? z?kon interakce mezi protony a neutrony.

Tento z?kon mus? ??ste?n? uhodnout na z?klad? experiment?ln?ch dat a ??ste?n? jej zkonstruovat na z?klad? znalost? o struktu?e nukleon?. Zde pomohou nov? data o trojrozm?rn? struktu?e nukleon?.

Za t?et?, p?ed n?kolika lety byli fyzici schopni z?skat ne m?n? ne? nov? agregovan? stav hmoty – kvark-gluonov? plazma. V tomto stavu kvarky nesed? uvnit? jednotliv?ch proton? a neutron?, ale voln? proch?zej? cel?m shlukem jadern? hmoty. Toho lze dos?hnout nap??klad takto: t??k? j?dra se v urychlova?i urychl? na rychlost velmi bl?zkou rychlosti sv?tla a pot? se ?eln? sraz?. P?i t?to sr??ce vzniknou na velmi kr?tkou dobu teploty bilion? stup??, kter? roztav? j?dra na kvark-gluonov? plazma. Ukazuje se tedy, ?e teoretick? v?po?ty tohoto jadern?ho taven? vy?aduj? dobrou znalost trojrozm?rn? struktury nukleon?.

A kone?n?, tato data jsou velmi pot?ebn? pro astrofyziku. Kdy? t??k? hv?zdy na konci sv?ho ?ivota exploduj?, ?asto za sebou zanech?vaj? extr?mn? kompaktn? objekty – neutronov? a mo?n? kvarkov? hv?zdy. J?dro t?chto hv?zd se skl?d? v?hradn? z neutron? a mo?n? i studen?ho kvark-gluonov?ho plazmatu. Takov? hv?zdy jsou ji? d?vno objeveny, ale co se v nich d?je, lze jen h?dat. Tak?e dobr? pochopen? distribuce kvark? m??e v?st k pokroku v astrofyzice.

A tak? vytvo?it elektronick? vzorec. K tomu pot?ebujete pouze periodick? syst?m chemick?ch prvk? D.I. Mend?lejev, co? je povinn? referen?n? materi?l.

Tabulka D.I. Mend?lejev je rozd?len do skupin (uspo??dan?ch vertik?ln?), kter?ch je celkem osm, a tak? do obdob? um?st?n?ch vodorovn?. Ka?d? m? svou vlastn? po?adovou a relativn? atomovou hmotnost, kter? je uvedena v ka?d? periodick? tabulce. Mno?stv? protony(p) a elektrony (?) ??seln? souhlas? s atomov?m ??slem prvku. K ur?en? po?tu neutrony(n) je nutn? ode??st ??slo chemick?ho prvku od relativn? atomov? hmotnosti (Ar).

P??klad ?. 1: Vypo??tejte mno?stv? protony, elektrony a neutrony atom chemick?ho prvku ?. 7. Chemick? prvek ?. 7 je dus?k (N). Nejprve ur?ete mno?stv? protony(R). Pokud je s?riov? ??slo 7, bude to 7 protony. Vzhledem k tomu, ?e toto ??slo se shoduje s po?tem z?porn? nabit?ch ??stic, bude k ur?en? po?tu tak? 7 elektron? (?). neutrony(n) od relativn? atomov? hmotnosti (Ar (N) = 14) ode?t?te atomov? ??slo dus?ku (?. 7). Proto 14 – 7 = 7. Obecn? v?echny informace vypadaj? takto: p = +7;? = -7;n = 14-7 = 7.

P??klad ?. 2: Vypo??tejte mno?stv? protony, elektrony a neutrony atom chemick?ho prvku ?. 20. Chemick? prvek ?. 20 je v?pn?k (Ca). Nejprve ur?ete mno?stv? protony(R). Pokud je s?riov? ??slo 20, bude to tedy 20 protony. S v?dom?m, ?e toto ??slo se shoduje s po?tem z?porn? nabit?ch ??stic, bude k ur?en? po?tu tak? 20 elektron? (?). neutrony(n) od relativn? atomov? hmotnosti (Ar (Ca) = 40) ode?t?te atomov? ??slo (?. 20). Tedy 40 – 20 = 20. Obecn? v?echny informace vypadaj? takto: p = +20;? = -20;n = 40-20 = 20.

P??klad ?. 3: Vypo??tejte mno?stv? protony, elektrony a neutrony atom chemick?ho prvku ?. 33. Chemick? prvek ?. 33 je arsen (As). Nejprve ur?ete mno?stv? protony(R). Pokud je s?riov? ??slo 33, bude to 33. Vzhledem k tomu, ?e toto ??slo se shoduje s po?tem z?porn? nabit?ch ??stic, bude k ur?en? po?tu tak? 33 elektron? (?). neutrony(n) od relativn? atomov? hmotnosti (Ar (As) = 75) ode?t?te atomov? ??slo dus?ku (?. 33). Tedy 75 – 33 = 42. Obecn? v?echny informace vypadaj? takto: p = +33;? = -33;n = 75 -33 = 42.

Pozn?mka

Relativn? atomov? hmotnost uveden? v tabulce D.I. Mend?lejeve, je nutn? zaokrouhlit na nejbli??? cel? ??slo.

Prameny:

• proton a neutrony tvo?? odpov??

Ba?ku dejte stranou, aby vychladla. Sta?? jedna a p?l a? dv? minuty. Jinak se vytvo?? nerozpustn? sra?enina.

Nalijte vodu p?es st?nu a opl?chn?te j? n?levku. T?epejte do ?pln?ho prom?ch?n?, v p??pad? pot?eby ba?ku zah?ejte.

Sestavte a p?ipevn?te p?ij?ma?. Do sb?ra?e se vst??kne 10 ml 0,01 N. roztok kyseliny s?rov?. Naneste jednu nebo dv? kapky methylroth. Po sm?ch?n? v?ech ingredienc? p?ipojte vodn? trysku k p?ij?ma?i.

Po deseti minut?ch destilaci p?eru?te. Zav?ete kohout vodn? trysky, otev?ete z?tku p?ij?ma?e a smyjte kyselinu s?rovou z konce chladic? trubice. Vym??te za jin? p?ij?ma? se stejn?m objemem 0,01 N. roztoku kyseliny s?rov?, prove?te druhou destilaci.

V?kon: 1 ml 0,01 N. kyselina s?rov? nebo hydroxid sodn? odpov?d? 0,14 mg.
Rozd?l mezi mno?stv?m kyseliny s?rov? um?st?n? v j?ma?i a mno?stv?m hydroxidu sodn?ho odebran?m b?hem titrace, vyprodukovan?m 0,14 mg, se rovn? mno?stv? zbytkov?ho dus?ku v 1 ml testovan? krve. Chcete-li zobrazit mno?stv? dus?ku v -, mus?te vyn?sobit 100.

Mocenstv? je schopnost chemick?ch prvk? pojmout ur?it? po?et atom? jin?ch prvk?. Z?rove? je to po?et vazeb, kter? dan? atom tvo?? s ostatn?mi atomy. Ur?en? valence je pom?rn? jednoduch?.

Instrukce

Vezm?te pros?m na v?dom?, ?e valence atom? n?kter?ch prvk? je konstantn?, zat?mco jin? jsou prom?nliv?, to znamen?, ?e maj? tendenci se m?nit. Nap??klad vod?k ve v?ech slou?enin?ch je monovalentn?, proto?e tvo?? pouze jeden. Kysl?k je schopen tvo?it dv? vazby, p?i?em? je dvojmocn?. Ale y m??e m?t II, IV nebo VI. V?e z?vis? na prvku, se kter?m je spojen. S?ra je tedy prvek s prom?nlivou mocnost?.

V?imn?te si, ?e v molekul?ch slou?enin vod?ku je v?po?et mocenstv? velmi jednoduch?. Vod?k je v?dy monovalentn? a tento indik?tor pro prvek s n?m spojen? se bude rovnat po?tu atom? vod?ku v dan? molekule. Nap??klad v CaH2 bude v?pn?k dvojmocn?.

Pamatujte na hlavn? pravidlo pro ur?en? valence: sou?in valen?n?ho indexu atomu libovoln?ho prvku a po?tu jeho atom? v libovoln? molekule je sou?in valen?n?ho indexu atomu druh?ho prvku a po?tu jeho atom? v danou molekulu.

Pod?vejte se na vzorec p?smen pro tuto rovnost: V1 x K1 = V2 x K2, kde V je valence atom? prvk? a K je po?et atom? v molekule. S jeho pomoc? je snadn? ur?it valen?n? index libovoln?ho prvku, pokud jsou zn?ma zb?vaj?c? data.

Uva?ujme p??klad molekuly oxidu s?rov?ho SO2. Kysl?k ve v?ech slou?enin?ch je dvojmocn?, proto dosazen?m hodnot do pom?ru: Voxygen x Kysl?k = Vs?ra x Xers, dostaneme: 2 x 2 = Vs?ra x 2. Odtud Vsulfur = 4/2 = 2. , valence s?ry v t?to molekule je rovna 2.

Video k t?matu

Elektron- nejleh?? elektricky nabit? ??stice, kter? se pod?l? t?m?? na v?ech elektrick?ch jevech. D?ky sv? n?zk? hmotnosti se nejv?ce pod?l? na v?voji kvantov? mechaniky. Tyto rychl? ??stice na?ly ?irok? uplatn?n? v oblasti modern? v?dy a techniky.

Slovo ?lektron je ?eck?. To dalo elektronu jeho jm?no. To se p?ekl?d? jako „jantar“. ?e?t? p??rodov?dci sv?ho ?asu prov?d?li r?zn? experimenty zahrnuj?c? vlnu kousk? jantaru, kter? pak za?aly p?itahovat r?zn? drobn? p?edm?ty. Elektron om je n?zev pro z?porn? nabitou ??stici, kter? je jednou ze z?kladn?ch jednotek tvo??c?ch strukturu hmoty. Elektron Obaly atom? se skl?daj? z elektron? a jejich poloha a po?et ur?uj? chemick? vlastnosti l?tky O po?tu elektron? v atomech r?zn?ch l?tek se m??ete dozv?d?t z tabulky chemick?ch prvk? sestaven? D.I. Mend?lejev. Po?et proton? v j?d?e atomu je v?dy roven po?tu elektron?, kter? by m?ly b?t v elektronov?m obalu atomu dan? l?tky. Elektron Ot??ej? se kolem j?dra velkou rychlost?, a proto se "" na j?d?e nevrtaj?. To je jasn? srovnateln? s M?s?cem, kter? nepad?, p?esto?e ho Zem? p?itahuje Modern? koncepce fyziky element?rn?ch ??stic nazna?uj? bezstrukturnost a ned?litelnost. Pohyb t?chto ??stic v polovodi??ch umo??uje snadno p?en??et a ??dit energii. Tato vlastnost je ?iroce pou??v?na v elektronice, ka?dodenn?m ?ivot?, pr?myslu a komunikac?ch. Navzdory skute?nosti, ?e rychlost elektron? ve vodi??ch je velmi mal?, elektrick? pole se m??e ???it rychlost? sv?tla. D?ky tomu se okam?it? vytvo?? proud v cel?m obvodu. Elektron Krom? korpuskul?rn?ch maj? i vlnov? vlastnosti. ??astn? se gravita?n?ch, slab?ch a elektromagnetick?ch interakc?. Stabilita elektronu vypl?v? ze z?kon? zachov?n? energie a n?boje. Tato ??stice je nejleh?? z nabit?ch, a proto se nem??e na nic rozpadnout. Rozpad na leh?? ??stice podle z?kona zachov?n? n?boje a na ??stice t???? ne? ??stice je z?konem zachov?n? energie zak?z?n. P?esnost, s jakou je spln?n z?kon zachov?n? n?boje, lze posoudit podle toho, ?e elektron neztr?c? n?boj po dobu nejm?n? deseti let.

Video k t?matu

Co je to neutron? Jak? je jeho struktura, vlastnosti a funkce? Neutrony jsou nejv?t?? z ??stic, kter? tvo?? atomy, stavebn? kameny ve?ker? hmoty.

Atomov? struktura

Neutrony se nach?zej? v j?d?e, hust? oblasti atomu tak? vypln?n? protony (kladn? nabit? ??stice). Tyto dva prvky dr?? pohromad? s?la zvan? jadern?. Neutrony maj? neutr?ln? n?boj. Kladn? n?boj protonu se shoduje se z?porn?m n?bojem elektronu, aby se vytvo?il neutr?ln? atom. I kdy? neutrony v j?d?e neovliv?uj? n?boj atomu, st?le maj? mnoho vlastnost?, kter? atom ovliv?uj?, v?etn? ?rovn? radioaktivity.

Neutrony, izotopy a radioaktivita

??stice, kter? se nach?z? v j?d?e atomu, je neutron, kter? je o 0,2 % v?t?? ne? proton. Spole?n? tvo?? 99,99 % celkov? hmotnosti stejn?ho prvku a mohou m?t r?zn? po?et neutron?. Kdy? v?dci odkazuj? na atomovou hmotnost, maj? na mysli pr?m?rnou atomovou hmotnost. Nap??klad uhl?k m? typicky 6 neutron? a 6 proton? s atomovou hmotnost? 12, ale n?kdy se vyskytuje s atomovou hmotnost? 13 (6 proton? a 7 neutron?). Uhl?k s atomov?m ??slem 14 tak? existuje, ale je vz?cn?. Atomov? hmotnost uhl?ku je tedy v pr?m?ru 12,011.

Kdy? maj? atomy r?zn? po?et neutron?, naz?vaj? se izotopy. V?dci na?li zp?soby, jak p?idat tyto ??stice do j?dra a vytvo?it tak v?t?? izotopy. Nyn? p?id?n? neutron? neovliv?uje n?boj atomu, proto?e nemaj? ??dn? n?boj. Zvy?uj? v?ak radioaktivitu atomu. To m??e m?t za n?sledek velmi nestabiln? atomy, kter? mohou vyb?jet vysok? ?rovn? energie.

Co je j?dro?

V chemii je j?dro kladn? nabit? centrum atomu, kter? se skl?d? z proton? a neutron?. Slovo „kernel“ poch?z? z latinsk?ho nucleus, co? je forma slova znamenaj?c? „o?ech“ nebo „j?dro“. Term?n byl vytvo?en v roce 1844 Michaelem Faradayem k popisu st?edu atomu. V?dy, kter? se zab?vaj? studiem j?dra, studiem jeho slo?en? a charakteristik, se naz?vaj? jadern? fyzika a jadern? chemie.

Protony a neutrony dr?? pohromad? siln? jadern? s?la. Elektrony jsou p?itahov?ny k j?dru, ale pohybuj? se tak rychle, ?e k jejich rotaci doch?z? v ur?it? vzd?lenosti od st?edu atomu. Jadern? n?boj se znam?nkem plus poch?z? z proton?, ale co je to neutron? Jedn? se o ??stici, kter? nem? elektrick? n?boj. T?m?? ve?ker? hmotnost atomu je obsa?ena v j?d?e, proto?e protony a neutrony maj? mnohem v?t?? hmotnost ne? elektrony. Po?et proton? v atomov?m j?dru ur?uje jeho identitu jako prvku. Po?et neutron? ud?v?, o jak? izotop prvku se jedn?.

Velikost atomov?ho j?dra

J?dro je mnohem men?? ne? celkov? pr?m?r atomu, proto?e elektrony mohou b?t d?le od st?edu. Atom vod?ku je 145 000kr?t v?t?? ne? jeho j?dro a atom uranu je 23 000kr?t v?t?? ne? jeho st?ed. Vod?kov? j?dro je nejmen??, proto?e se skl?d? z jedin?ho protonu.

Uspo??d?n? proton? a neutron? v j?d?e

Protony a neutrony jsou obvykle zobrazeny jako sbalen? dohromady a rovnom?rn? rozlo?en? do koul?. Jedn? se v?ak o zjednodu?en? skute?n? struktury. Ka?d? nukleon (proton nebo neutron) m??e zauj?mat ur?itou energetickou hladinu a rozsah um?st?n?. Zat?mco j?dro m??e b?t kulovit?, m??e b?t tak? hru?kovit?, kulovit? nebo diskovit?.

J?dra proton? a neutron? jsou baryony, kter? se skl?daj? z t?ch nejmen??ch, kter? se naz?vaj? kvarky. P?ita?liv? s?la m? velmi kr?tk? dosah, tak?e protony a neutrony mus? b?t velmi bl?zko u sebe, aby byly v?z?ny. Tato siln? p?ita?livost p?ekon?v? p?irozen? odpuzov?n? nabit?ch proton?.

Proton, neutron a elektron

Mocn?m impulsem ve v?voji takov? v?dy, jako je jadern? fyzika, byl objev neutronu (1932). M?li bychom za to pod?kovat anglick?mu fyzikovi, kter? byl studentem Rutherforda. Co je to neutron? Jedn? se o nestabiln? ??stici, kter? se m??e ve voln?m stavu rozpadnout na proton, elektron a neutrino, tzv. bezhmotnou neutr?ln? ??stici, za pouh?ch 15 minut.

??stice dostala sv? jm?no, proto?e nem? elektrick? n?boj, je neutr?ln?. Neutrony jsou extr?mn? hust?. V izolovan?m stavu bude m?t jeden neutron hmotnost pouze 1,67·10 - 27, a pokud vezmete l?i?ku hust? nap?chovanou neutrony, v?sledn? kus hmoty bude v??it miliony tun.

Po?et proton? v j?d?e prvku se naz?v? atomov? ??slo. Toto ??slo d?v? ka?d?mu prvku jeho jedine?nou identitu. V atomech n?kter?ch prvk?, jako je uhl?k, je po?et proton? v j?drech v?dy stejn?, ale po?et neutron? se m??e li?it. Atom dan?ho prvku s ur?it?m po?tem neutron? v j?d?e se naz?v? izotop.

Jsou jednotliv? neutrony nebezpe?n??

Co je to neutron? Jedn? se o ??stici, kter? je spolu s protonem obsa?ena v. N?kdy v?ak mohou existovat samy o sob?. Kdy? jsou neutrony mimo j?dra atom?, z?sk?vaj? potenci?ln? nebezpe?n? vlastnosti. Kdy? se pohybuj? vysokou rychlost?, produkuj? smrt?c? z??en?. Takzvan? neutronov? bomby, zn?m? svou schopnost? zab?jet lidi a zv??ata, p?itom maj? minim?ln? vliv na ne?iv? fyzick? struktury.

Neutrony jsou velmi d?le?itou sou??st? atomu. Vysok? hustota t?chto ??stic v kombinaci s jejich rychlost? jim d?v? extr?mn? destruktivn? s?lu a energii. V d?sledku toho mohou zm?nit nebo dokonce roztrhat j?dra atom?, na kter? naraz?. A?koli m? neutron ?ist? neutr?ln? elektrick? n?boj, skl?d? se z nabit?ch slo?ek, kter? se navz?jem ru?? s ohledem na n?boj.

Neutron v atomu je mal? ??stice. Stejn? jako protony jsou p??li? mal? na to, aby je bylo mo?n? vid?t i elektronov?m mikroskopem, ale jsou tam, proto?e to je jedin? zp?sob, jak vysv?tlit chov?n? atom?. Neutrony jsou velmi d?le?it? pro stabilitu atomu, ale mimo jeho atomov? centrum nemohou existovat dlouho a rozpadaj? se v pr?m?ru za pouh?ch 885 sekund (asi 15 minut).

• P?eklad

Ve st?edu ka?d?ho atomu je j?dro, mal? sb?rka ??stic naz?van?ch protony a neutrony. V tomto ?l?nku budeme studovat podstatu proton? a neutron?, kter? se skl?daj? z je?t? men??ch ??stic – kvark?, gluon? a antikvark?. (Gluony, stejn? jako fotony, jsou jejich vlastn? anti??stice.) Kvarky a gluony, pokud v?me, mohou b?t skute?n? element?rn? (ned?liteln? a neskl?daj?c? se z ni?eho men??ho). Ale k nim pozd?ji.

Protony a neutrony maj? p?ekvapiv? t?m?? stejnou hmotnost – s p?esnost? na procento:

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

To je kl?? k jejich povaze – jsou si vlastn? velmi podobn?. Ano, je mezi nimi jeden z?ejm? rozd?l: proton m? kladn? elektrick? n?boj, zat?mco neutron nem? n?boj (je neutr?ln?, odtud jeho n?zev). V souladu s t?m elektrick? s?ly p?sob? na prvn?, ale ne na druh?. Na prvn? pohled se toto rozli?en? zd? velmi d?le?it?! Ale ve skute?nosti tomu tak nen?. Ve v?ech ostatn?ch smyslech jsou proton a neutron t?m?? dvoj?ata. Shodn? jsou nejen jejich hmoty, ale i jejich vnit?n? struktura.

Proto?e jsou si velmi podobn? a proto?e tyto ??stice tvo?? j?dra, protony a neutrony se ?asto naz?vaj? nukleony.

Protony byly identifikov?ny a pops?ny kolem roku 1920 (a?koli byly objeveny d??ve; j?dro atomu vod?ku je pouze jeden proton) a neutrony byly objeveny kolem roku 1933. T?m?? okam?it? bylo zji?t?no, ?e protony a neutrony jsou si navz?jem tak podobn?. Ale skute?nost, ?e maj? m??itelnou velikost srovnatelnou s velikost? j?dra (asi 100 000kr?t men?? polom?r ne? atom), nebyla zn?ma a? do roku 1954. ?e se skl?daj? z kvark?, antikvark? a gluon?, se postupn? ch?palo od poloviny 60. do poloviny 70. let. Koncem 70. a za??tkem 80. let se na?e ch?p?n? proton?, neutron? a toho, z ?eho se skl?daj?, do zna?n? m?ry ust?lilo a od t? doby z?stalo nezm?n?no.

Nukleony je mnohem obt??n?j?? popsat ne? atomy nebo j?dra. Ne??kat, ?e atomy jsou v z?sad? jednoduch?, ale p?inejmen??m lze bez p?em??len? ??ci, ?e atom helia se skl?d? ze dvou elektron? na ob??n? dr?ze kolem mal?ho j?dra helia; a j?dro helia je pom?rn? jednoduch? skupina dvou neutron? a dvou proton?. Ale s nukleony nen? v?echno tak jednoduch?. U? jsem psal v ?l?nku „Co je proton a co je v n?m?“, ?e atom je jako elegantn? menuet a nukleon je jako divok? p?rty.

Slo?itost protonu a neutronu se zd? b?t prav? a nepoch?z? z ne?pln?ch znalost? fyziky. M?me rovnice pou??van? k popisu kvark?, antikvark? a gluon? a siln?ch jadern?ch interakc?, ke kter?m mezi nimi doch?z?. Tyto rovnice se naz?vaj? QCD, z kvantov? chromodynamiky. P?esnost rovnic lze testovat r?zn?mi zp?soby, v?etn? m??en? po?tu ??stic produkovan?ch na velk?m hadronov?m urychlova?i. Zapojen?m rovnic QCD do po??ta?e a prov?d?n?m v?po?t? vlastnost? proton? a neutron? a dal??ch podobn?ch ??stic (souhrnn? naz?van?ch „hadrony“) z?sk?me p?edpov?di vlastnost? t?chto ??stic, kter? se velmi bl??? pozorov?n? proveden?m v re?ln?m sv?t?. Proto m?me d?vod se domn?vat, ?e rovnice QCD nel?ou a ?e na?e znalosti o protonu a neutronu jsou zalo?eny na spr?vn?ch rovnic?ch. Ale jen m?t spr?vn? rovnice nesta??, proto?e:

• Jednoduch? rovnice mohou m?t velmi slo?it? ?e?en?,
• N?kdy je nemo?n? popsat slo?it? rozhodnut? jednoduch?m zp?sobem.

Pokud m??eme ??ci, je to p?esn? p??pad nukleon?: jsou komplexn?mi ?e?en?mi relativn? jednoduch?ch rovnic QCD a nen? mo?n? je popsat n?kolika slovy nebo obr?zky.

Kv?li p?irozen? slo?itosti nukleon? si vy, ?ten??, budete muset vybrat: kolik chcete v?d?t o popsan? slo?itosti? Bez ohledu na to, jak daleko se dostanete, s nejv?t?? pravd?podobnost? v?m to nep?inese uspokojen?: ??m v?ce se nau??te, t?m bude t?ma jasn?j??, ale kone?n? odpov?? z?stane stejn? – proton a neutron jsou velmi slo?it?. Mohu v?m nab?dnout t?i ?rovn? porozum?n? s p?ib?vaj?c?mi podrobnostmi; m??ete se zastavit po jak?koli ?rovni a p?ej?t k dal??m t?mat?m, nebo se m??ete pono?it a? do posledn?ho. Ka?d? ?rove? vyvol?v? ot?zky, na kter? mohu ??ste?n? odpov?d?t v t? dal??, ale nov? odpov?di vyvol?vaj? nov? ot?zky. Na z?v?r – stejn? jako v odborn?ch diskuz?ch s kolegy a pokro?il?mi studenty – v?s mohu pouze odk?zat na data z?skan? v re?ln?ch experimentech, na r?zn? vlivn? teoretick? argumenty a po??ta?ov? simulace.

Prvn? ?rove? porozum?n?

Z ?eho se skl?daj? protony a neutrony?

R??e. 1: p??li? zjednodu?en? verze proton?, skl?daj?c? se pouze ze dvou up kvark? a jednoho down kvarku, a neutron?, skl?daj?c? se pouze ze dvou down kvark? a jednoho up kvarku

Pro zjednodu?en? mnoho knih, ?l?nk? a webov?ch str?nek uv?d?, ?e protony se skl?daj? ze t?? kvark? (dva up kvarky a jeden down kvark) a kresl? n?co jako obr. 1. Neutron je stejn?, skl?d? se pouze z jednoho up a dvou down kvark?. Tento jednoduch? obr?zek ilustruje to, ?emu v??ili n?kte?? v?dci, v?t?inou v 60. letech. Brzy se v?ak uk?zalo, ?e tento ?hel pohledu byl p??li? zjednodu?en do t? m?ry, ?e ji? nen? spr?vn?.

Ze sofistikovan?j??ch zdroj? informac? se dozv?te, ?e protony jsou tvo?eny t?emi kvarky (dva naho?e a jeden dole), kter? dr?? pohromad? gluony – a m??e se objevit obr?zek podobn? obr. 1. 2, kde jsou gluony nakresleny jako pru?iny nebo struny dr??c? kvarky. Neutrony jsou stejn?, pouze s jedn?m up kvarkem a dv?ma down kvarky.

R??e. 2: vylep?en? Obr. 1 kv?li d?razu na d?le?itou roli siln? jadern? s?ly, kter? dr?? kvarky v protonu

Nen? to tak ?patn? zp?sob, jak popsat nukleony, proto?e zd?raz?uje d?le?itou roli siln? jadern? s?ly, kter? dr?? kvarky v protonu na ?kor gluon? (stejn? jako je foton, ??stice tvo??c? sv?tlo, spojen s elektromagnetick? s?la). Ale to je tak? matouc?, proto?e to ve skute?nosti nevysv?tluje, co jsou gluony nebo co d?laj?.

Existuj? d?vody, pro? pokra?ovat a popsat v?ci tak, jak jsem to ud?lal j?: proton se skl?d? ze t?? kvark? (dva nahoru a jeden dol?), hromady gluon? a hora kvark-antikvarkov?ch p?r? (v?t?inou up a down kvarky, ale existuje i n?kolik podivn?ch). V?echny l?taj? tam a zp?t velmi vysokou rychlost? (p?ibli?uj?c? se rychlosti sv?tla); cel? tento soubor dr?? pohromad? siln? jadern? s?la. To jsem demonstroval na obr. 3. Neutrony jsou op?t stejn?, ale s jedn?m up a dv?ma down kvarky; Kvark, kter? zm?nil svou identitu, je ozna?en ?ipkou.

R??e. 3: realisti?t?j??, i kdy? st?le nedokonal? zobrazen? proton? a neutron?

Tyto kvarky, antikvarky a gluony nejen ?e se divoce ??t? sem a tam, ale tak? na sebe nar??ej? a prom??uj? se v sebe prost?ednictv?m proces?, jako je anihilace ??stic (p?i n?? se kvark a antikvark stejn?ho typu prom?n? ve dva gluony, nebo naopak versa) nebo absorpce a emise gluonu (ve kter?m se kvark a gluon mohou srazit a vytvo?it kvark a dva gluony, nebo naopak).

Co maj? tyto t?i popisy spole?n?ho:

• Dva up kvarky a down kvark (plus n?co jin?ho) pro proton.
• Neutron m? jeden up kvark a dva down kvarky (plus n?co dal??ho).
• „N?co jin?ho“ neutron? se shoduje s „n???m jin?m“ proton?. To znamen?, ?e nukleony maj? stejn? „n?co jin?ho“.
• Mal? rozd?l v hmotnosti mezi protonem a neutronem je zp?soben rozd?lem v hmotnostech kvarku down a kvarku up.

A proto?e:

• pro top kvarky je elektrick? n?boj roven 2/3 e (kde e je n?boj protonu, -e je n?boj elektronu),
• spodn? kvarky maj? n?boj -1/3e,
• gluony maj? n?boj 0,
• jak?koli kvark a jeho odpov?daj?c? antikvark maj? celkov? n?boj 0 (nap??klad kvark antidown m? n?boj +1/3e, tak?e kvark down a kvark down budou m?t n?boj –1/3e +1/3 e = 0),

Ka?d? ?daj p?i?ad? elektrick? n?boj protonu dv?ma up kvark?m a jednomu down kvarku a „n?co jin?ho“ p?id? k n?boji 0. Podobn? m? neutron nulov? n?boj kv?li jednomu up kvarku a dv?ma down kvark?m:

• celkov? elektrick? n?boj protonu je 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• celkov? elektrick? n?boj neutronu je 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

Tyto popisy se li?? v n?sleduj?c?ch ohledech:

• kolik „n??eho jin?ho“ je uvnit? nukleonu,
• co to tam d?l?
• odkud poch?z? hmotnost a hmotnostn? energie (E = mc 2, energie tam p??tomn?, i kdy? je ??stice v klidu) nukleonu.

Vzhledem k tomu, ?e v?t?ina hmotnosti atomu, a tedy i ve?ker? b??n? hmoty, je obsa?ena v protonech a neutronech, je druh? bod nesm?rn? d?le?it? pro spr?vn? pochopen? na?? p??rody.

R??e. 1 ??k?, ?e kvarky jsou v podstat? t?etinou nukleonu, podobn? jako proton nebo neutron tvo?? ?tvrtinu j?dra helia nebo 1/12 j?dra uhl?ku. Pokud by byl tento obr?zek pravdiv?, kvarky v nukleonu by se pohybovaly relativn? pomalu (rychlostmi mnohem pomalej??mi ne? sv?tlo) s relativn? slab?mi interakcemi p?sob?c?mi mezi nimi (i kdy? s n?jakou mocnou silou, kter? je dr?? na m?st?). Hmotnost kvarku nahoru a dol? by pak byla ??dov? 0,3 GeV/c 2 , co? je asi t?etina hmotnosti protonu. Ale tento jednoduch? obraz a my?lenky, kter? vnucuje, jsou prost? ?patn?.

R??e. 3. d?v? ?pln? jinou p?edstavu o protonu, jako o kotli ??stic, kter? se v n?m pohybuj? rychlost? bl?zkou sv?tlu. Tyto ??stice se navz?jem sr??ej? a p?i t?chto sr??k?ch jsou n?kter? z nich anihilov?ny a jin? jsou vytvo?eny na jejich m?st?. Gluony nemaj? ??dnou hmotnost, hmotnosti horn?ch kvark? jsou v ??du 0,004 GeV/c 2 a hmotnosti spodn?ch kvark? jsou v ??du 0,008 GeV/c 2 – stokr?t m?n? ne? proton. Odkud poch?z? energie protonov? hmoty, je slo?it? ot?zka: ??st poch?z? z energie hmotnosti kvark? a antikvark?, ??st z energie pohybu kvark?, antikvark? a gluon? a ??st (mo?n? pozitivn?, mo?n? negativn? ) z energie ulo?en? v siln? jadern? interakci, kter? dr?? kvarky, antikvarky a gluony pohromad?.

V jist?m smyslu Obr. 2 pokusy vy?e?it rozd?l mezi Obr. 1 a Obr. 3. Zjednodu?uje obr?zek. 3, odstran?n? mnoha p?r? kvark-antikvark, kter? lze v z?sad? nazvat pom?jiv?mi, proto?e se neust?le objevuj? a miz? a nejsou nutn?. Ale bud? to dojem, ?e gluony v nukleonech jsou p??mou sou??st? siln? jadern? s?ly, kter? dr?? protony pohromad?. A nevysv?tluje, odkud poch?z? hmotnost protonu.

Na Obr. 1 existuje dal?? nev?hoda, krom? ?zk?ch r?mc? protonu a neutronu. Nevysv?tluje n?kter? vlastnosti jin?ch hadron?, nap??klad pion a mezon rho. Stejn? probl?my m? obr. 2.

Tato omezen? vedla k tomu, ?e d?v?m sv?m student?m a na sv?m webu obr?zek z Obr. 3. Chci v?s ale upozornit, ?e m? tak? mnoho omezen?, o kter?ch se budu bavit pozd?ji.

Stoj? za zm?nku, ?e extr?mn? slo?itost struktury implikovan? Obr. 3 lze o?ek?vat od objektu dr?en?ho pohromad? silou tak mocnou, jako je siln? jadern? s?la. A je?t? jedna v?c: t?i kvarky (dva naho?e a jeden dole pro proton), kter? nejsou sou??st? skupiny p?r? kvark-antikvark, se ?asto naz?vaj? „valen?n? kvarky“ a p?ry kvark-antikvark se naz?vaj? „mo?e mo?e“. kvarkov? p?ry“. Takov? jazyk je v mnoha p??padech technicky vhodn?. Ale vyvol?v? to myln? dojem, ?e kdybyste se mohli pod?vat dovnit? protonu a pod?vat se na konkr?tn? kvark, mohli byste okam?it? ??ct, zda je sou??st? mo?e nebo valen?n?. To se ned?, takov? zp?sob prost? neexistuje.

Hmotnost proton? a hmotnost neutron?

Vzhledem k tomu, ?e hmotnosti protonu a neutronu jsou tak podobn? a proto?e se proton a neutron li?? pouze v nahrazen? up kvarku kvarkem down, zd? se pravd?podobn?, ?e jejich hmotnosti jsou poskytov?ny stejn?m zp?sobem, poch?zej? ze stejn?ho zdroje. a jejich rozd?l spo??v? v nepatrn?m rozd?lu mezi kvarky up a down . Ale t?i v??e uveden? ??sla nazna?uj? p??tomnost t?? velmi odli?n?ch pohled? na p?vod protonov? hmoty.

R??e. 1 ??k?, ?e kvarky up a down jednodu?e tvo?? 1/3 hmotnosti protonu a neutronu: ??dov? 0,313 GeV/c 2 nebo kv?li energii pot?ebn? k udr?en? kvark? v protonu. A proto?e rozd?l mezi hmotnostmi protonu a neutronu je zlomek procenta, mus? b?t i rozd?l mezi hmotnostmi kvarku up a down zlomkem procenta.

R??e. 2 je m?n? p?ehledn?. Jak? ??st hmotnosti protonu je zp?sobena gluony? Ale v z?sad? z obr?zku vypl?v?, ?e v?t?ina protonov? hmotnosti st?le poch?z? z hmotnosti kvark?, jako na obr. 1.

R??e. 3 odr??? jemn?j?? p??stup k tomu, jak vlastn? vznik? hmotnost protonu (jak m??eme testovat p??mo pomoc? po??ta?ov?ch v?po?t? protonu a nep??mo pomoc? jin?ch matematick?ch metod). Velmi se li?? od p?edstav uveden?ch na obr. 1 a 2, a uk?zalo se, ?e to nen? tak jednoduch?.

Abyste pochopili, jak to funguje, mus?te uva?ovat nikoli z hlediska hmotnosti protonu m, ale z hlediska jeho hmotnostn? energie E = mc 2 , energie spojen? s hmotnost?. Koncep?n? spr?vn? ot?zka nen? „odkud se bere hmotnost protonu m“, na?e? m??ete vypo??tat E vyn?soben?m m x c 2 , ale naopak: „odkud poch?z? energie protonov? hmotnosti E“, pot? kterou m??ete vypo??tat hmotnost m vyd?len?m E c 2 .

Je u?ite?n? klasifikovat p??sp?vky k energii protonov? hmoty do t?? skupin:

A) Hmotnostn? energie (klidov? energie) kvark? a antikvark? v n? obsa?en?ch (gluony, bezhmotn? ??stice, nep?isp?vaj?).
B) Energie pohybu (kinetick? energie) kvark?, antikvark? a gluon?.
C) Interak?n? energie (vazebn? energie nebo potenci?ln? energie) ulo?en? v siln? jadern? interakci (p?esn?ji v gluonov?ch pol?ch) dr??c? proton.

R??e. 3 ??k?, ?e ??stice uvnit? protonu se pohybuj? vysokou rychlost? a ?e je pln? bezhmotn?ch gluon?, tak?e p??sp?vek B) je v?t?? ne? A). Obvykle se ve v?t?in? fyzik?ln?ch syst?m? B) a C) ukazuj? jako srovnateln?, zat?mco C) je ?asto z?porn?. Tak?e hmotnostn? energie protonu (a neutronu) poch?z? hlavn? z kombinace B) a C), p?i?em? A) p?isp?v? mal?m zlomkem. Proto se hmotnosti protonu a neutronu objevuj? hlavn? ne kv?li hmotnosti ??stic, kter? obsahuj?, ale kv?li energii pohybu t?chto ??stic a energii jejich interakce spojen? s gluonov?mi poli, kter? generuj? s?ly, kter? dr?? proton. Ve v?t?in? ostatn?ch n?m zn?m?ch syst?m? je energetick? bilance rozd?lena odli?n?. Nap??klad v atomech a ve slune?n? soustav? A) dominuje a B) a C) jsou mnohem men?? a srovnateln? co do velikosti.

Abychom to shrnuli, podot?k?me, ?e:

• R??e. 1 p?edpokl?d?, ?e energie protonov? hmotnosti poch?z? z p??sp?vku A).
• R??e. 2 p?edpokl?d?, ?e oba p??sp?vky A) a B) jsou d?le?it?, p?i?em? B) m? mal? p??sp?vek.
• R??e. 3 nazna?uje, ?e B) a C) jsou d?le?it? a p??sp?vek A) se ukazuje jako nev?znamn?.

V?me, ?e obr. je spr?vn?. 3. M??eme spustit po??ta?ov? simulace, abychom to otestovali, a co je d?le?it?j??, d?ky r?zn?m p?esv?d?iv?m teoretick?m argument?m v?me, ?e pokud by hmotnosti kvarku up a down byly nulov? (a v?echno ostatn? z?stalo tak, jak je), hmotnost protonu by byla prakticky zanedbateln?. Tak?e kvarkov? hmoty zjevn? nemohou v?znamn? p?isp?vat k protonov? hmotnosti.

Pokud Obr. 3 nel?e, hmotnosti kvarku a antikvarku jsou velmi mal?. jac? ve skute?nosti jsou? Hmotnost top kvarku (stejn? jako antikvarku) nep?esahuje 0,005 GeV/c 2, co? je mnohem m?n? ne? 0,313 GeV/c 2, co? vypl?v? z Obr. 1. (Hmotnost up kvarku je obt??n? m??iteln? a m?n? se v d?sledku jemn?ch efekt?, tak?e m??e b?t mnohem men?? ne? 0,005 GeV/c2). Hmotnost spodn?ho kvarku je p?ibli?n? o 0,004 GeV/s 2 v?t?? ne? hmotnost horn?ho kvarku. To znamen?, ?e hmotnost ??dn?ho kvarku nebo antikvarku nep?esahuje jedno procento hmotnosti protonu.

V?imn?te si, ?e to znamen? (na rozd?l od obr. 1), ?e pom?r hmotnosti kvarku down k hmotnosti up kvarku se nebl??? jednotce! Hmotnost kvarku down je alespo? dvojn?sobkem hmotnosti kvarku up. D?vod, pro? jsou hmotnosti neutronu a protonu tak podobn?, nen? ten, ?e by hmotnosti kvark? up a down byly podobn?, ale proto, ?e hmotnosti kvark? up a down jsou velmi mal? – a rozd?l mezi nimi je mal?, relativn?. na hmotnosti protonu a neutronu. Pamatujte, ?e k p?em?n? protonu na neutron sta?? nahradit jeden z jeho up kvark? down kvarkem (obr?zek 3). Tato n?hrada sta?? k tomu, aby byl neutron o n?co t???? ne? proton a zm?nil se jeho n?boj z +e na 0.

Mimochodem, to, ?e se r?zn? ??stice uvnit? protonu navz?jem sr??ej? a neust?le se objevuj? a miz?, nem? vliv na v?ci, o kter?ch diskutujeme - energie se zachov?v? p?i ka?d? sr??ce. Hmotnostn? energie a energie pohybu kvark? a gluon? se mohou m?nit, stejn? jako energie jejich vz?jemn?ho p?soben?, ale celkov? energie protonu se nem?n?, p?esto?e se v?e uvnit? neust?le m?n?. Tak?e hmotnost protonu z?st?v? konstantn?, navzdory jeho vnit?n?mu v?ru.

V tomto okam?iku se m??ete zastavit a vst?ebat p?ijat? informace. ??asn?! Prakticky ve?ker? hmota obsa?en? v b??n? hmot? poch?z? z hmotnosti nukleon? v atomech. A v?t?ina t?to hmoty poch?z? z chaosu, kter? je vlastn? protonu a neutronu – z energie pohybu kvark?, gluon? a antikvark? v nukleonech a z energie siln?ch jadern?ch interakc?, kter? dr?? nukleon v cel?m jeho stavu. Ano: na?e planeta, na?e t?la, n?? dech jsou v?sledkem takov?ho tich?ho a doned?vna nep?edstaviteln?ho pandemona.