ladybe.ru
Atomo branduolio sandara (protonas, neutronas, elektronas)
Daugelis ?moni? gerai ?ino i? mokyklos, kad visos med?iagos susideda i? atom?. Atomai, savo ruo?tu, susideda i? proton? ir neutron?, kurie sudaro tam tikru atstumu nuo branduolio esan?i? atom? ir elektron? branduol?. Taip pat daugelis yra gird?j?, kad ?viesa taip pat susideda i? daleli? – foton?. Ta?iau daleli? pasaulis tuo neapsiriboja. Iki ?iol ?inoma daugiau nei 400 skirting? elementari?j? daleli?. Pabandykime suprasti, kuo elementariosios dalel?s skiriasi viena nuo kitos.
Yra daug parametr?, pagal kuriuos elementariosios dalel?s gali b?ti atskirtos viena nuo kitos:
- Svoris.
- Elektros kr?vis.
- Gyvenimas. Beveik visos elementarios dalel?s turi ribot? gyvavimo laik?, po kurio jos suyra.
- Sukite. Labai apytiksliai tai galima laikyti sukimosi momentu.
Dar keli parametrai, arba kaip jie paprastai vadinami kvantini? skai?i? moksle. ?ie parametrai ne visada turi ai?ki? fizin? reik?m?, ta?iau jie reikalingi tam, kad atskirt? kai kurias daleles nuo kit?. Visi ?ie papildomi parametrai pateikiami kaip kai kurie dyd?iai, kurie i?saugomi s?veikoje.
Beveik visos dalel?s turi mas?, i?skyrus fotonus ir neutrinus (pagal naujausius duomenis, neutrinai turi mas?, bet toki? ma??, kad da?nai laikoma nuliu). Be mas?s dalel?s gali egzistuoti tik judan?ios. Visos dalel?s turi skirting? mas?. Elektronas turi ma?iausi? mas?, neskaitant neutrino. Daleli?, vadinam? mezonais, mas? yra 300–400 kart? didesn? u? elektrono mas?, protonas ir neutronas yra beveik 2000 kart? sunkesni u? elektron?. Dabar buvo atrastos dalel?s, kurios yra beveik 100 kart? sunkesn?s u? proton?. Mas? (arba jos energijos ekvivalentas pagal Ein?teino formul?:
i?saugoma visose elementari?j? daleli? s?veikose.
Ne visos dalel?s turi elektros kr?v?, o tai rei?kia, kad ne visos dalel?s gali dalyvauti elektromagnetin?je s?veikoje. Visos laisvai egzistuojan?ios dalel?s turi elektros kr?v?, kuris yra elektron? kr?vio kartotinis. Be laisvai egzistuojan?i? daleli?, yra ir daleli?, kurios yra tik suri?tos b?senos, apie jas pakalb?sime ?iek tiek v?liau.
Sukas, kaip ir kiti kvantiniai skai?iai, skirtingoms dalel?ms skiriasi ir apib?dina j? unikalum?. Kai kurie kvantiniai skai?iai i?saugomi kai kuriose s?veikose, kiti - kitose. Visi ?ie kvantiniai skai?iai lemia, kurios dalel?s s?veikauja su kuriomis ir kaip. 
Gyvenimo trukm? taip pat yra labai svarbi dalel?s charakteristika, ir mes j? apsvarstysime i?samiau. Prad?kime nuo pastabos. Kaip min?jome straipsnio prad?ioje, visk?, kas mus supa, sudaro atomai (elektronai, protonai ir neutronai) ir ?viesa (fotonai). O kur tada yra ?imtai skirting? elementari?j? daleli? tip?? Atsakymas paprastas – visur aplink mus, bet mes to nepastebime d?l dviej? prie?as?i?.
Pirmasis i? j? yra tas, kad beveik visos kitos dalel?s gyvena labai trumpai, ma?daug nuo 10 iki minus 10 sekund?i? ar ma?iau, tod?l nesudaro toki? strukt?r? kaip atomai, kristalin?s gardel?s ir kt. Antroji prie?astis yra susijusi su neutrinais; nors ?ios dalel?s nesuyra, jas veikia tik silpna ir gravitacin? s?veika. Tai rei?kia, kad ?ios dalel?s s?veikauja taip ma?ai, kad j? aptikti beveik ne?manoma.
?sivaizduokime, kaip gerai dalel? s?veikauja. Pavyzd?iui, elektron? sraut? gali sustabdyti gana plonas, ma?daug keli? milimetr?, plieno lak?tas. Taip atsitiks tod?l, kad elektronai i? karto prad?s s?veikauti su plieno lak?to dalel?mis, smarkiai pakeis savo krypt?, i?skirs fotonus ir taip gana greitai praras energij?. Neutrin? srauto atveju taip n?ra; jie gali praeiti pro ?em? beveik be s?veikos. Ir tod?l labai sunku juos aptikti.
Taigi, dauguma daleli? gyvena labai trumpai, o po to suyra. Daleli? skilimas yra labiausiai paplitusi reakcija. D?l skilimo viena dalel? skyla ? kelet? kit? ma?esn?s mas?s, o jos savo ruo?tu irsta toliau. Visi skilimai pakl?sta tam tikroms taisykl?ms – gamtosaugos d?sniams. Taigi, pavyzd?iui, d?l skilimo turi b?ti i?saugotas elektros kr?vis, mas?, sukimasis ir daugyb? kit? kvantini? skai?i?. Kai kurie kvantiniai skai?iai gali pasikeisti skilimo metu, ta?iau taip pat gali b?ti taikomos tam tikros taisykl?s. Tai yra skilimo taisykl?s, kurios mums sako, kad elektronas ir protonas yra stabilios dalel?s. Jie nebegali irti, laikydamiesi irimo taisykli?, tod?l b?tent jie nutraukia irimo grandines.
?ia nor??iau pasakyti kelet? ?od?i? apie neutron?. Laisvasis neutronas taip pat skyla ? proton? ir elektron? ma?daug per 15 minu?i?. Ta?iau tai ne?vyksta, kai neutronas yra atomo branduolyje. ?? fakt? galima paai?kinti ?vairiai. Pavyzd?iui, kai atomo branduolyje atsiranda elektronas ir papildomas protonas i? irstan?io neutrono, i? karto ?vyksta atvirk?tin? reakcija – vienas i? proton? sugeria elektron? ir virsta neutronu. ?is paveikslas vadinamas dinamine pusiausvyra. Jis buvo pasteb?tas visatoje ankstyvoje jos vystymosi stadijoje, netrukus po Did?iojo sprogimo.
Be skilimo reakcij?, yra ir sklaidos reakcijos – kai vienu metu s?veikauja dvi ar daugiau daleli? ir d?l to gaunama viena ar daugiau kit? daleli?. Taip pat yra absorbcijos reakcij?, kai dvi ar daugiau daleli? sukuria vien?. Visos reakcijos atsiranda d?l stiprios silpnos arba elektromagnetin?s s?veikos. Reakcijos d?l stiprios s?veikos yra grei?iausios, tokios reakcijos laikas gali siekti 10 minus 20 sekund?i?. D?l elektromagnetin?s s?veikos vykstan?i? reakcij? greitis yra ma?esnis, ?ia laikas gali b?ti apie 10 minus 8 sekundes. Esant silpnoms s?veikos reakcijoms, laikas gali siekti keliasde?imt sekund?i?, o kartais ir metus.
Pasakojimo apie daleles pabaigoje pakalb?kime apie kvarkus. Kvarkai yra elementariosios dalel?s, kuri? elektros kr?vis yra tre?dalio elektrono kr?vio kartotinis ir kurios negali egzistuoti laisvoje b?senoje. J? s?veika sutvarkyta taip, kad jie gal?t? gyventi tik kaip ka?ko dalis. Pavyzd?iui, trij? tam tikro tipo kvark? derinys sudaro proton?. Kitas derinys sukuria neutron?. I? viso ?inomi 6 kvarkai. D?l skirting? j? derini? gauname skirting? daleli?, ir nors ne visi kvark? deriniai leid?iami pagal fizikinius d?snius, yra gana daug daleli?, sudaryt? i? kvark?.
?ia gali kilti klausimas: kaip proton? galima pavadinti elementariuoju, jei jis susideda i? kvark?? Tai labai paprasta - protonas yra elementarus, nes jo negalima suskaidyti ? sudedam?sias dalis - kvarkus. Visos dalel?s, kurios dalyvauja stiprioje s?veikoje, susideda i? kvark? ir tuo pa?iu yra elementarios.
Elementari?j? daleli? s?veikos supratimas yra labai svarbus norint suprasti visatos sandar?. Viskas, kas nutinka makrok?nams, yra daleli? s?veikos rezultatas. B?tent daleli? s?veika apib?dina med?i? augim? ?em?je, reakcijas ?vaig?d?i? viduje, neutronini? ?vaig?d?i? spinduliuot? ir daug daugiau.
| Tikimyb?s ir kvantin? mechanika | > |
Tyrin?dami materijos strukt?r?, fizikai i?siai?kino, i? ko susideda atomai, pateko ? atomo branduol? ir suskaid? j? ? protonus ir neutronus. Visi ?ie ?ingsniai buvo atlikti gana lengvai – tereikia paspartinti daleles iki reikiamos energijos, stumti jas viena prie? kit?, o tada jos pa?ios subyr?jo ? sudedam?sias dalis.
Ta?iau su protonais ir neutronais ?is triukas nebeveik?. Nors tai sud?tin?s dalel?s, jos negali „suskaldyti“ ? gabalus net ir ?iauriausio susid?rimo metu. Tod?l fizikai prireik? de?imtme?i?, kol sugalvojo ?vairius b?dus, kaip pa?velgti ? protono vid?, pamatyti jo strukt?r? ir form?. ?iandien proton? strukt?ros tyrimas yra viena i? aktyviausi? daleli? fizikos sri?i?.
Gamta duoda u?uomin?
Proton? ir neutron? strukt?ros tyrimo istorija siekia 1930-uosius. Kai, be proton?, buvo atrasti neutronai (1932 m.), i?matav? j? mas?, fizikai nustebo pamat?, kad ji labai artima protono masei. Be to, paai?k?jo, kad protonai ir neutronai „jau?ia“ branduolin? s?veik? lygiai taip pat. Toks identi?kas, kad branduolini? j?g? po?i?riu protonas ir neutronas gali b?ti laikomi dviem tos pa?ios dalel?s – nukleono – aprai?komis: protonas yra elektri?kai ?krautas nukleonas, o neutronas – neutralus nukleonas. Pakeiskite protonus ? neutronus ir branduolin?s j?gos (beveik) nieko nepasteb?s.
Fizikai ?i? gamtos savyb? i?rei?kia kaip simetrij? – branduolin? s?veika yra simetri?ka proton? pakeitimo neutronais at?vilgiu, kaip ir drugelis yra simetri?kas kairiojo pakeitimo de?iniuoju at?vilgiu. ?i simetrija, be svarbaus vaidmens branduolin?je fizikoje, i? tikr?j? buvo pirmoji u?uomina, kad nukleonai turi ?domi? vidin? strukt?r?. Tiesa, tada, 30-aisiais, fizikai ?ios u?uominos nesuvok?.
Supratimas atsirado v?liau. Tai prasid?jo nuo to, kad 1940–50-aisiais proton? susid?rimo su ?vairi? element? branduoliais reakcijose mokslininkai nustebo atrad? vis daugiau nauj? daleli?. Ne protonai, ne neutronai, ne iki tol atrasti pi-mezonai, laikantys branduoliuose nukleonus, o ka?kokios visi?kai naujos dalel?s. Nepaisant j? ?vairov?s, ?ios naujos dalel?s tur?jo dvi bendras savybes. Pirma, jie, kaip ir nukleonai, labai noriai dalyvavo branduolin?je s?veikoje – dabar tokios dalel?s vadinamos hadronais. Antra, jie buvo labai nestabil?s. Nestabiliausias i? j? suskyla ? kitas daleles vos per trilijon? nanosekund?s, net nesp?j?s skristi atomo branduolio dyd?io!
Ilg? laik? hadron? „zoologijos sodas“ buvo visi?ka netvarka. Penktojo de?imtme?io pabaigoje fizikai jau buvo i?mok? gana daug ?vairi? hadron? tip?, prad?jo juos lyginti tarpusavyje ir staiga j? savyb?se ??velg? tam tikr? bendr? simetrij?, netgi periodi?kum?. Buvo pasi?lyta, kad vis? hadron? (?skaitant nukleonus) viduje yra keletas paprast? objekt?, vadinam? „kvarkais“. Skirtingais b?dais sujungus kvarkus, galima gauti skirtingus hadronus, ir visi?kai to paties tipo bei t? pa?i? savybi?, kurios buvo atrastos eksperimento metu.
Kas daro proton? protonu?
Po to, kai fizikai atrado hadron? kvark? strukt?r? ir su?inojo, kad kvarkai b?na keli? skirting? atmain?, tapo ai?ku, kad i? kvark? galima sukurti daug skirting? daleli?. Taigi niekas nenustebo, kai v?lesni eksperimentai ir toliau vienas po kito randa nauj? hadron?. Ta?iau tarp vis? hadron? buvo aptikta visa daleli? ?eima, kuri?, kaip ir proton?, sudaro tik du u-kvarkai ir vienas d- kvarkas. Savoti?kas protono „brolis“. Ir ?ia fizik? lauk? staigmena.
Pirmiausia padarykime vien? paprast? pasteb?jim?. Jei turime kelis objektus, sudarytus i? t? pa?i? „plyt?“, tai sunkesniuose objektuose yra daugiau „plyt?“, o lengvesniuose – ma?iau. Tai labai nat?ralus principas, kur? galima pavadinti kombinacijos arba antstato principu, puikiai veikiantis tiek kasdieniame gyvenime, tiek fizikoje. Tai netgi pasirei?kia atom? branduoli? sandara – juk sunkesni branduoliai tiesiog susideda i? didesnio proton? ir neutron? skai?iaus.
Ta?iau kvark? lygmenyje ?is principas visi?kai neveikia, ir, tiesa, fizikai dar iki galo nei?siai?kino, kod?l. Pasirodo, sunkieji protono broliai taip pat susideda i? t? pa?i? kvark? kaip ir protonas, nors jie yra pusantro ar net du kartus sunkesni u? proton?. Jie skiriasi nuo protono (ir skiriasi vienas nuo kito) ne kompozicija, ir abipusis vieta kvarkai, pagal b?sen?, kurioje ?ie kvarkai yra vienas kito at?vilgiu. Pakanka pakeisti santykin? kvark? pad?t? – ir i? protono gausime kit?, pastebimai sunkesn?, dalel?.
Kas atsitiks, jei vis tiek imsite ir surinksite daugiau nei tris kvarkus? Ar atsiras nauja sunkioji dalel?? Keista, bet tai neveiks - kvarkai suskaidys trise ir pavirs ? kelet? i?sibars?iusi? daleli?. Ka?kod?l gamta „nem?gsta“ sujungti daugyb? kvark? ? vien? visum?! Tik visai neseniai, pa?od?iui, pastaraisiais metais, prad?jo atsirasti u?uomin?, kad kai kurios keli? kvark? dalel?s tikrai egzistuoja, ta?iau tai tik pabr??ia, kaip gamta j? nem?gsta.
I? ?ios kombinatorikos i?plaukia labai svarbi ir gili i?vada – hadron? mas? visai nesusideda i? kvark? mas?s. Bet jei hadrono mas? galima padidinti arba suma?inti tiesiog perkombinuojant j? sudaran?ias plytas, tai ne patys kvarkai yra atsakingi u? hadron? mas?. Ir i? ties?, v?lesniais eksperimentais pavyko i?siai?kinti, kad pa?i? kvark? mas? sudaro tik apie du procentus protono mas?s, o likusi gravitacijos dalis atsiranda d?l j?gos lauko (ypating? daleli? – gliuon?). suri?ti kvarkus. Keisdami santykin? kvark? pad?t?, pavyzd?iui, atitraukdami juos toliau vienas nuo kito, taip kei?iame gliuono debes?, tod?l jis tampa masyvesnis, tod?l hadron? mas? did?ja (1 pav.).
Kas vyksta greitai judan?io protono viduje?
Viskas, kas apra?yta auk??iau, yra susijusi su stacionariu protonu; fizik? kalba, tai yra protono strukt?ra ramyb?s r?me. Ta?iau eksperimento metu protono strukt?ra pirm? kart? buvo atrasta kitomis s?lygomis – viduje greitai skrenda protonas.
?e?tojo de?imtme?io pabaigoje atliekant daleli? susid?rim? greitintuvuose eksperimentus, buvo pasteb?ta, kad beveik ?viesos grei?iu skriejantys protonai elgiasi taip, tarsi energija j? viduje b?t? pasiskirstyta ne tolygiai, o b?t? sutelkta atskiruose kompakti?kuose objektuose. Garsus fizikas Richardas Feynmanas pasi?l? ?iuos med?iagos gumul?lius pavadinti protonais partonai(i? angl? kalbos dalis - dalis).
V?lesni eksperimentai i?tyr? daugel? parton? savybi?, pavyzd?iui, j? elektros kr?v?, skai?i? ir kiekvieno i? j? turim? proton? energijos dal?. Pasirodo, ?krauti partonai yra kvarkai, o neutral?s – gliuonai. Taip, tie patys gliuonai, kurie proton? ramyb?s r?me tiesiog „tarnavo“ kvarkams, pritraukdami juos vienas prie kito, dabar yra nepriklausomi partonai ir kartu su kvarkais ne?a greitai judan?io protono „materij?“ ir energij?. Eksperimentai parod?, kad ma?daug pus? energijos sukaupta kvarkuose, o pus? – gliuonuose.
Partonus patogiausia tirti proton? susid?rimo su elektronais metu. Faktas yra tas, kad, skirtingai nei protonas, elektronas nedalyvauja stiprioje branduolin?je s?veikoje ir jo susid?rimas su protonu atrodo labai paprastas: elektronas labai trump? laik? i?spinduliuoja virtual? foton?, kuris atsitrenkia ? ?kraut? parton? ir galiausiai sukuria daug daleli? (2 pav.). Galima sakyti, kad elektronas yra puikus skalpelis protonui „atidaryti“ ir padalinti ? atskiras dalis – ta?iau tik labai trumpam. ?inant, kaip da?nai tokie procesai vyksta greitintuve, galima i?matuoti protono viduje esan?i? parton? skai?i? ir j? kr?vius.
Kas i? tikr?j? yra Partonai?
Ir ?ia pasiekiame dar vien? nuostab? atradim?, kur? fizikai padar? tyrin?dami elementari?j? daleli? susid?rimus esant didel?ms energijoms.
?prastomis s?lygomis klausimas, i? ko susideda tas ar kitas objektas, turi universal? atsakym? visoms atskaitos sistemoms. Pavyzd?iui, vandens molekul? susideda i? dviej? vandenilio atom? ir vieno deguonies atomo – ir nesvarbu, ar ?i?rime ? nejudan?i?, ar ? judan?i? molekul?. Ta?iau ?i taisykl? atrodo tokia nat?rali! - pa?eid?iamas, jei kalbame apie elementarias daleles, judan?ias artimu ?viesos grei?iui. Vienoje atskaitos sistemoje sud?tinga dalel? gali b?ti sudaryta i? vieno daleli? rinkinio, o kitoje atskaitos sistemoje – i? kitos. Paai?k?jo, kad kompozicija yra santykin? s?voka!
Kaip tai gali b?ti? Svarbiausia ?ia yra viena svarbi savyb?: daleli? skai?ius m?s? pasaulyje n?ra fiksuotas – dalel?s gali gimti ir i?nykti. Pavyzd?iui, jei sustumsite du pakankamai didel?s energijos elektronus, tada be ?i? dviej? elektron? gali gimti arba fotonas, arba elektron?-pozitron? pora, arba dar kokios nors dalel?s. Visa tai leid?ia kvantiniai d?sniai, ir kaip tik tai vyksta tikruose eksperimentuose.
Ta?iau ?is daleli? „nei?saugojimo ?statymas“ veikia susid?rim? atveju daleli?. Kaip atsitinka, kad tas pats protonas i? skirting? po?i?ri? atrodo lyg sudarytas i? skirtingo daleli? rinkinio? Esm? ta, kad protonas n?ra tik trys kvarkai, sud?ti kartu. Tarp kvark? yra gliuono j?gos laukas. Apskritai j?gos laukas (pvz., Gravitacinis arba elektrinis laukas) yra tam tikras materialus „esinys“, kuris prasiskverbia ? erdv? ir leid?ia dalel?ms daryti stipr? poveik? viena kitai. Kvantin?je teorijoje laukas taip pat susideda i? daleli?, nors ir ypating? – virtuali?. ?i? daleli? skai?ius n?ra fiksuotas, jos nuolat „i?si?oka“ i? kvark? ir jas sugeria kiti kvarkai.
Poilsis Proton? i? tikr?j? galima ?sivaizduoti kaip tris kvarkus, tarp kuri? ?okin?ja gliuonai. Bet jei pa?velgsime ? t? pat? proton? i? kitokio atskaitos sistemos, tarsi pro pro ?al? va?iuojan?io „reliatyvistinio traukinio“ lang?, pamatysime visi?kai kitok? vaizd?. Tie virtual?s gliuonai, kurie sulipd? kvarkus, atrodys ne tokie virtual?s, „tikresn?s“ dalel?s. Jie, ?inoma, vis dar gimsta ir ?sisavinami kvark?, ta?iau tuo pat metu jie kur? laik? gyvena patys, skraidydami ?alia kvark?, kaip tikros dalel?s. Tai, kas atrodo kaip paprastas j?gos laukas vienoje atskaitos sistemoje, kitame kadre virsta daleli? srautu! Atkreipkite d?mes?, kad mes nelie?iame paties protono, o tik ?i?rime ? j? i? kitos atskaitos sistemos.
Toliau daugiau. Kuo m?s? „reliatyvistinio traukinio“ greitis artimesnis ?viesos grei?iui, tuo nuostabesn? vaizd? pamatysime protono viduje. Art?jant ?viesos grei?iui pasteb?sime, kad protono viduje vis daugiau gliuon?. Be to, kartais jie suskyla ? kvark? ir antikvark? poras, kurios taip pat skraido netoliese ir taip pat laikomos partonais. D?l to ultrareliatyvistinis protonas, t. y. protonas, judantis m?s? at?vilgiu labai artimu ?viesos grei?iui, atsiranda kaip tarpusavyje besiskverbiantys kvark?, antikvark? ir gliuon? debesys, kurie skrenda kartu ir tarsi palaiko vienas kit? (1 pav.). . 3).
Skaitytojas, susipa?in?s su reliatyvumo teorija, gali b?ti susir?pin?s. Visa fizika remiasi principu, kad bet koks procesas vyksta vienodai visose inercin?se atskaitos sistemose. Bet pasirodo, kad protono sud?tis priklauso nuo atskaitos sistemos, i? kurios mes j? stebime?!
Taip, tiksliai, bet tai jokiu b?du nepa?eid?ia reliatyvumo principo. Fizini? proces? rezultatai – pavyzd?iui, kurios dalel?s ir kiek j? susidaro d?l susid?rimo – i?ties yra nekintami, nors protono sud?tis priklauso nuo atskaitos sistemos.
?i i? pirmo ?vilgsnio ne?prasta, bet visus fizikos d?snius atitinkanti situacija schemati?kai pavaizduota 4 paveiksle. Jame parodyta, kaip dviej? didel? energij? turin?i? proton? susid?rimas atrodo skirtingose atskaitos sistemose: likusiame vieno protono kadre, mas?s centras, likusiame kito protono r?me. S?veika tarp proton? vykdoma per skaidan?i? gliuon? kaskad?, ta?iau tik vienu atveju ?i kaskada laikoma vieno protono „vidumi“, kitu atveju – kito protono dalimi, o tre?iu – tiesiog ka?kokia. objektas, kuris kei?iasi tarp dviej? proton?. ?i kaskada egzistuoja, ji yra reali, bet kuriai proceso daliai ji tur?t? b?ti priskirta, priklauso nuo atskaitos sistemos.
3D protono portretas
Visi rezultatai, apie kuriuos k? tik kalb?jome, buvo pagr?sti eksperimentais, atliktais gana seniai - pra?jusio am?iaus 60–70-aisiais. Atrodyt?, nuo tada viskas tur?jo b?ti i?studijuota ir visi klausimai tur?jo rasti atsakymus. Bet ne – protono sandara vis dar i?lieka viena ?domiausi? daleli? fizikos tem?. Be to, pastaraisiais metais susidom?jimas juo v?l i?augo, nes fizikai sugalvojo, kaip gauti „trimat?“ greitai judan?io protono portret?, kuris pasirod? es?s daug sud?tingesnis nei nejudan?io protono portretas.
Klasikiniai proton? susid?rim? eksperimentai pasakoja tik apie parton? skai?i? ir j? energijos pasiskirstym?. Tokiuose eksperimentuose partonai dalyvauja kaip nepriklausomi objektai, o tai rei?kia, kad i? j? ne?manoma su?inoti, kaip partonai i?sid?st? vienas kito at?vilgiu arba kaip tiksliai jie sudaro proton?. Galima sakyti, kad ilg? laik? fizikai tur?jo tik „vienmat?“ greitai judan?io protono portret?.
Norint sukonstruoti tikr?, trimat? protono portret? ir i?siai?kinti parton? pasiskirstym? erdv?je, reikia daug subtilesni? eksperiment? nei tie, kurie buvo ?manomi prie? 40 met?. Fizikai tokius eksperimentus i?moko atlikti visai neseniai, tiesiog per pastar?j? de?imtmet?. Jie suprato, kad tarp daugyb?s skirting? reakcij?, atsirandan?i? elektronui susid?rus su protonu, yra viena ypatinga reakcija - gilus virtualus Komptono sklaida, - kurie gali mums pasakyti apie trimat? protono strukt?r?.
Apskritai, Compton sklaida arba Compton efektas yra elastingas fotono susid?rimas su dalele, pavyzd?iui, protonu. Atrodo taip: atkeliauja fotonas, j? sugeria protonas, kuris trumpam pereina ? su?adinimo b?sen?, o po to gr??ta ? pradin? b?sen?, i?spinduliuodamas foton? tam tikra kryptimi.
?prast? ?viesos foton? komptono sklaida nieko ?domaus neduoda – tai tiesiog ?viesos atspindys nuo protono. Norint, kad vidin? protono strukt?ra „?sigal?t?“ ir kvark? pasiskirstymas b?t? „juntamas“, reikia naudoti labai didel?s energijos fotonus – milijardus kart? daugiau nei ?prastoje ?viesoje. Ir kaip tik tokius fotonus – nors ir virtualius – nesunkiai sukuria krintantis elektronas. Jei dabar derinsime vien? su kitu, gautume gil? virtual? Komptono sklaid? (5 pav.).
Pagrindinis ?ios reakcijos bruo?as yra tas, kad ji nesunaikina protono. ?vyk?s fotonas ne tik atsitrenkia ? proton?, bet tarsi atsargiai j? jau?ia ir tada nuskrenda. Kryptis, kuria jis nuskrenda ir koki? energijos dal? protonas paima i? jo, priklauso nuo protono sandaros, nuo santykinio parton? i?sid?stymo jo viduje. ?tai kod?l, tiriant ?? proces?, galima atkurti trimat? protono i?vaizd?, tarsi „skulpt?ros pavidalu“.
Tiesa, eksperimentuojan?iam fizikai tai padaryti labai sunku. Reikalingas procesas vyksta gana retai, o j? u?registruoti sunku. Pirmieji eksperimentiniai duomenys apie ?i? reakcij? gauti tik 2001 metais Vokietijos greitintuv? komplekso DESY Hamburge HERA greitintuve; eksperimentuotojai dabar apdoroja nauj? duomen? serij?. Ta?iau jau ?iandien, remdamiesi pirmaisiais duomenimis, teoretikai brai?o trima?ius kvark? ir gliuon? skirstinius protone. I? eksperimento galiausiai prad?jo „i?ry?k?ti“ fizikinis dydis, apie kur? fizikai anks?iau dar? tik prielaidas.
Ar ?ioje srityje m?s? laukia netik?ti atradimai? Tik?tina, kad taip. Iliustracijai tarkime, kad 2008 met? lapkrit? pasirod? ?domus teorinis straipsnis, kuriame teigiama, kad greitai judantis protonas turi atrodyti ne kaip plok??ias diskas, o kaip abipus ?gaubtas l??is. Taip atsitinka tod?l, kad centrin?je protono srityje esantys partonai i?ilgine kryptimi suspaud?iami stipriau nei pakra??iuose s?dintys partonai. B?t? labai ?domu ?ias teorines prognozes i?bandyti eksperimenti?kai!
Kod?l visa tai ?domu fizikams?
Kod?l fizikai net turi tiksliai ?inoti, kaip med?iaga pasiskirsto protonuose ir neutronuose?
Pirma, to reikalauja pati fizikos raidos logika. Pasaulyje yra daug nuostabiai sud?ting? sistem?, su kuriomis ?iuolaikin? teorin? fizika dar negali visi?kai susidoroti. Hadronai yra viena i? toki? sistem?. Suprasdami hadron? strukt?r?, mes tobuliname teorin?s fizikos geb?jimus, kurie gali pasirodyti universal?s ir, galb?t, pad?s visi?kai kitaip, pavyzd?iui, tiriant superlaidininkus ar kitas ne?prastas savybes turin?ias med?iagas.
Antra, tai tiesiogin? nauda branduolinei fizikai. Nepaisant beveik ?imtmet? trukusios atom? branduoli? tyrimo istorijos, teoretikai vis dar ne?ino tikslaus proton? ir neutron? s?veikos d?snio.
Jie turi i? dalies atsp?ti ?? d?sn? remdamiesi eksperimentiniais duomenimis, o i? dalies sukurti remdamiesi ?iniomis apie nukleon? strukt?r?. ?ia pad?s nauji duomenys apie trimat? nukleon? strukt?r?.
Tre?ia, prie? kelet? met? fizikai sugeb?jo gauti ne ma?iau nei nauj? agreguot? med?iagos b?sen? – kvarko-gliuono plazm?. ?ioje b?senoje kvarkai nes?di atskir? proton? ir neutron? viduje, bet laisvai vaik?to per vis? branduolin?s med?iagos sankaup?. Tai galima pasiekti, pavyzd?iui, taip: sunkieji branduoliai greitintuve pagreitinami iki grei?io, labai artimo ?viesos grei?iui, ir tada susiduria kaktomu?a. ?io susid?rimo metu labai trump? laik? pakyla trilijon? laipsni? temperat?ra, d?l kurios branduoliai i?tirpsta ? kvarko-gliuono plazm?. Taigi, pasirodo, kad ?io branduolinio lydymosi teoriniams skai?iavimams reikia gerai i?manyti trimat? nukleon? strukt?r?.
Galiausiai ?ie duomenys labai reikalingi astrofizikai. Kai sunkiosios ?vaig?d?s sprogsta savo gyvenimo pabaigoje, jos da?nai palieka itin kompakti?kus objektus – neutronines ir galb?t kvark? ?vaig?des. ?i? ?vaig?d?i? ?erd? sudaro tik neutronai, o gal net ?alta kvarko-gliuono plazma. Tokios ?vaig?d?s jau seniai atrastos, ta?iau galima tik sp?lioti, kas vyksta j? viduje. Taigi geras kvark? pasiskirstymo supratimas gali paskatinti astrofizikos pa?ang?.
Taip pat sukurkite elektronin? formul?. Nor?dami tai padaryti, jums reikia tik periodin?s chemini? element? sistemos D.I. Mendelejevas, kuri yra privaloma informacin? med?iaga.
Lentel? D.I. Mendelejevas skirstomas ? grupes (i?d?stytas vertikaliai), kuri? i? viso yra a?tuoni, taip pat ? periodus, i?sid?s?iusius horizontaliai. Kiekvienas turi savo eilin? ir santykin? atomin? mas?, kuri nurodoma kiekvienoje periodin?je lentel?je. Kiekis proton?(p) ir elektronai (?) skaitine prasme sutampa su elemento atominiu numeriu. Nor?dami nustatyti skai?i? neutron? n) i? santykin?s atomin?s mas?s (Ar) reikia atimti cheminio elemento skai?i?.
1 pavyzdys: apskai?iuokite kiek? proton?, elektronai ir neutron? cheminio elemento Nr.7 atomas. Cheminis elementas Nr.7 yra azotas (N). Pirmiausia nustatykite kiek? proton?(R). Jei serijos numeris yra 7, tada jis bus 7 proton?. Atsi?velgiant ? tai, kad ?is skai?ius sutampa su neigiamai ?kraut? daleli? skai?iumi, taip pat bus 7 elektronai (?). neutron?(n) i? santykin?s atomin?s mas?s (Ar (N) = 14) atimkite azoto atomin? skai?i? (Nr. 7). Tod?l 14 – 7 = 7. Apskritai visa informacija atrodo taip: p = +7;? = -7;n = 14-7 = 7.
2 pavyzdys: Apskai?iuokite kiek? proton?, elektronai ir neutron? cheminio elemento Nr.20 atomas. Cheminis elementas Nr.20 yra kalcis (Ca). Pirmiausia nustatykite kiek? proton?(R). Jei serijos numeris yra 20, vadinasi, jis bus 20 proton?. ?inant, kad ?is skai?ius sutampa su neigiamai ?kraut? daleli? skai?iumi, tada taip pat bus 20 elektron? (?) Norint nustatyti skai?i? neutron?(n) i? santykin?s atomin?s mas?s (Ar (Ca) = 40) atimkite atomin? skai?i? (Nr. 20). Tod?l 40 – 20 = 20. Apskritai visa informacija atrodo taip: p = +20;? = -20;n = 40-20 = 20.
3 pavyzdys: Apskai?iuokite kiek? proton?, elektronai ir neutron? cheminio elemento Nr.33 atomas. Cheminis elementas Nr.33 yra arsenas (As). Pirmiausia nustatykite kiek? proton?(R). Jei serijos numeris yra 33, tada jis bus 33. Atsi?velgiant ? tai, kad ?is skai?ius sutampa su neigiamai ?kraut? daleli? skai?iumi, taip pat bus 33 elektronai (?). neutron?(n) i? santykin?s atomin?s mas?s (Ar (As) = 75) atimkite azoto atomin? skai?i? (Nr. 33). Tod?l 75 – 33 = 42. Apskritai visa informacija atrodo taip: p = +33;? = -33;n = 75 -33 = 42.
pastaba
Lentel?je D.I nurodyta santykin? atomin? mas?. Mendelejevo, reikia suapvalinti iki artimiausio sveikojo skai?iaus.
?altiniai:
- protonas ir neutronai sudaro atsakym?
Pad?kite kolb? ? ?al?, kad atv?st?. Pakanka pusantros-dviej? minu?i?. Prie?ingu atveju susidarys netirpios nuos?dos.
U?pilkite vandeniu sien?, i?skalaukite juo piltuv?. Sukratykite, kol visi?kai susimai?ys, jei reikia, pa?ildykite kolb?.
Surinkite ir pritvirtinkite imtuv?. ? imtuv? ??virk?kite 10 ml 0,01 N. sieros r?g?ties tirpalas. U?la?inkite vien? ar du la?us metilroto. Sumai?? visus ingredientus, prie imtuvo pritvirtinkite vandens srov?s siurbl?.
Po de?imties minu?i? nustokite distiliuoti. U?sukite vandens srov?s ?iaup?, atsukite imtuvo ki?tuk? ir nuplaukite sieros r?g?t? nuo ?aldymo vamzd?io galo. Pakeiskite kitu imtuvu, kurio t?ris yra 0,01 N. sieros r?g?ties tirpalu, atlikite antr? distiliavim?.
I?eiga: 1 ml 0,01 N. sieros r?g?ties arba natrio hidroksido atitinka 0,14 mg.
Skirtumas tarp sieros r?g?ties kiekio, ?d?to ? imtuv?, ir titravimo metu paimto natrio hidroksido kiekio, pagaminto 0,14 mg, yra lygus likutinio azoto kiekiui 1 ml tiriamo kraujo. Nor?dami parodyti azoto kiek? -, turite padauginti i? 100.
Valencija yra chemini? element? geb?jimas i?laikyti tam tikr? skai?i? kit? element? atom?. Tuo pa?iu metu tai yra tam tikro atomo su kitais atomais suformuot? ry?i? skai?ius. Valencijos nustatymas yra gana paprastas.
Instrukcijos
Atkreipkite d?mes?, kad kai kuri? element? atom? valentingumas yra pastovus, o kit? yra kintamas, tai yra, jie link? keistis. Pavyzd?iui, vandenilis visuose junginiuose yra vienavalentis, nes sudaro tik vien?. Deguonis gali sudaryti dvi jungtis, b?damas dvivalentis. Bet j?s galite tur?ti II, IV arba VI. Viskas priklauso nuo elemento, su kuriuo jis yra prijungtas. Taigi siera yra kintamo valentingumo elementas.
Atkreipkite d?mes?, kad vandenilio jungini? molekul?se valentingum? apskai?iuoti labai paprasta. Vandenilis visada yra vienavalentis, ir ?is su juo susijusio elemento rodiklis bus lygus vandenilio atom? skai?iui tam tikroje molekul?je. Pavyzd?iui, CaH2 kalcis bus dvivalentis.
Prisiminkite pagrindin? valentingumo nustatymo taisykl?: bet kurio elemento atomo valentingumo indekso sandauga ir jo atom? skai?ius bet kurioje molekul?je yra antrojo elemento atomo valentingumo indekso ir jo atom? skai?iaus sandauga. tam tikra molekul?.
Pa?velkite ? ?ios lygyb?s raid?s formul?: V1 x K1 = V2 x K2, kur V – element? atom? valentingumas, o K – atom? skai?ius molekul?je. Su jo pagalba nesunku nustatyti bet kurio elemento valentingumo indeks?, jei ?inomi lik? duomenys.
Apsvarstykite sieros oksido molekul?s SO2 pavyzd?. Deguonis visuose junginiuose yra dvivalentis, tod?l pakeitus reik?mes ? proporcijas: deguonis x deguonis = Vsiera x Xers, gauname: 2 x 2 = Vsiera x 2. I? ?ia Vsiera = 4/2 = 2. , sieros valentingumas ?ioje molekul?je yra lygus 2.
Video tema
Elektronas– lengviausia elektri?kai ?krauta dalel?, dalyvaujanti beveik visuose elektros rei?kiniuose. D?l ma?os mas?s ji labiausiai dalyvauja kuriant kvantin? mechanik?. ?ios greitos dalel?s buvo pla?iai pritaikytos ?iuolaikinio mokslo ir technologij? srityje.
?odis ?lektron yra graiki?kas. Tai ir dav? elektronui pavadinim?. Tai i?versta kaip „gintaras“. Vienu metu graik? gamtininkai atliko ?vairius eksperimentus su gintaro gabal?li? vilna, kuri v?liau prad?jo traukti ?vairius smulkius daiktus. Elektronas om yra neigiamo kr?vio dalel?s pavadinimas, kuris yra vienas i? pagrindini? materijos strukt?r? sudaran?i? vienet?. Elektronas Atom? apvalkalai susideda i? elektron?, o j? pad?tis ir skai?ius lemia chemines med?iagos savybes.Apie elektron? skai?i? ?vairi? med?iag? atomuose galite su?inoti i? D.I. sudarytos chemini? element? lentel?s. Mendelejevas. Proton? skai?ius atomo branduolyje visada yra lygus elektron? skai?iui, kuris tur?t? b?ti tam tikros med?iagos atomo elektron? apvalkale. Elektronas Jie sukasi aplink branduol? dideliu grei?iu, tod?l "ne" ant branduolio. Tai ai?kiai palyginama su M?nuliu, kuris nekrenta, nepaisant to, kad ?em? j? traukia.?iuolaikin?s elementari?j? daleli? fizikos sampratos rodo nestrukt?ri?kum? ir nedalum?. ?i? daleli? jud?jimas puslaidininkiuose leid?ia lengvai perduoti ir valdyti energij?. ?i savyb? pla?iai naudojama elektronikoje, kasdieniame gyvenime, pramon?je ir komunikacijose. Nepaisant to, kad elektron? greitis laidininkuose yra labai ma?as, elektrinis laukas gali sklisti ?viesos grei?iu. D?l to srov? visoje grandin?je nustatoma akimirksniu. Elektronas Be korpuskulini?, jie turi ir bangini? savybi?. Jie dalyvauja gravitacin?se, silpnosiose ir elektromagnetin?se s?veikose. Elektrono stabilumas i?plaukia i? energijos ir kr?vio tverm?s d?sni?. ?i dalel? yra lengviausia i? ?kraut?, tod?l negali ? niek? suirti. Skilimas ? lengvesnes daleles pagal kr?vio tverm?s d?sn? ir ? sunkesnes nei daleles draud?iamas pagal energijos tverm?s d?sn?. Kr?vio tverm?s d?snio ?vykdymo tikslum? galima spr?sti i? to, kad elektronas nepraranda savo kr?vio ma?iausiai de?imt met?.
Video tema
Kas yra neutronas? Kokia jo strukt?ra, savyb?s ir funkcijos? Neutronai yra did?iausios dalel?s, sudaran?ios atomus, visos med?iagos statybiniai blokai.
Atomin? strukt?ra
Neutronai randami branduolyje, tankioje atomo srityje, taip pat u?pildytoje protonais (teigiamai ?krautomis dalel?mis). ?iuos du elementus kartu laiko j?ga, vadinama branduoline. Neutronai turi neutral? kr?v?. Teigiamas protono kr?vis suderinamas su neigiamu elektrono kr?viu, kad b?t? sukurtas neutralus atomas. Nors branduolyje esantys neutronai neturi ?takos atomo kr?viui, jie vis tiek turi daug savybi?, turin?i? ?takos atomui, ?skaitant radioaktyvumo lyg?.
Neutronai, izotopai ir radioaktyvumas
Dalel?, esanti atomo branduolyje, yra neutronas, kuris yra 0,2% didesnis u? proton?. Kartu jie sudaro 99,99% visos to paties elemento mas?s ir gali tur?ti skirting? neutron? skai?i?. Kai mokslininkai nurodo atomin? mas?, jie turi omenyje vidutin? atomin? mas?. Pavyzd?iui, anglis paprastai turi 6 neutronus ir 6 protonus, kuri? atomin? mas? yra 12, ta?iau kartais randama ir 13 (6 protonai ir 7 neutronai). Taip pat egzistuoja anglis, kurios atominis skai?ius yra 14, bet reta. Taigi anglies atomin?s mas?s vidurkis yra 12,011.
Kai atomai turi skirting? neutron? skai?i?, jie vadinami izotopais. Mokslininkai rado b?d?, kaip ?ias daleles prid?ti prie branduolio, kad b?t? sukurti didesni izotopai. Dabar neutron? prid?jimas neturi ?takos atomo kr?viui, nes jie neturi kr?vio. Ta?iau jie padidina atomo radioaktyvum?. D?l to gali susidaryti labai nestabil?s atomai, kurie gali i?leisti daug energijos.
Kas yra ?erdis?
Chemijoje branduolys yra teigiamai ?krautas atomo centras, kur? sudaro protonai ir neutronai. ?odis „branduolis“ kil?s i? lotyni?ko branduolio, kuris yra ?od?io, rei?kian?io „rie?utas“ arba „branduolis“, forma. Termin? 1844 m. suk?r? Michaelas Farad?jus, nor?damas apib?dinti atomo centr?. Mokslai, susij? su branduolio tyrimu, jo sud?ties ir savybi? tyrimu, vadinami branduoline fizika ir branduoline chemija.
Protonus ir neutronus laiko kartu stipri branduolin? j?ga. Elektronai pritraukiami prie branduolio, bet juda taip greitai, kad j? sukimasis vyksta tam tikru atstumu nuo atomo centro. Branduolinis kr?vis su pliuso ?enklu kyla i? proton?, bet kas yra neutronas? Tai dalel?, kuri neturi elektros kr?vio. Beveik visas atomo svoris yra branduolyje, nes protonai ir neutronai turi daug daugiau mas?s nei elektronai. Proton? skai?ius atomo branduolyje lemia jo, kaip elemento, tapatyb?. Neutron? skai?ius rodo, kuris elemento izotopas yra atomas.
Atomo branduolio dydis
Branduolys yra daug ma?esnis u? bendr? atomo skersmen?, nes elektronai gali b?ti toliau nuo centro. Vandenilio atomas yra 145 000 kart? didesnis u? jo branduol?, o urano atomas yra 23 000 kart? didesnis u? jo centr?. Vandenilio branduolys yra ma?iausias, nes susideda i? vieno protono.
Proton? ir neutron? i?sid?stymas branduolyje
Protonai ir neutronai paprastai vaizduojami kaip supakuoti ir tolygiai paskirstyti ? sferas. Ta?iau tai yra tikrosios strukt?ros supaprastinimas. Kiekvienas nukleonas (protonas arba neutronas) gali u?imti tam tikr? energijos lyg? ir viet? diapazon?. Nors branduolys gali b?ti sferinis, jis taip pat gali b?ti kriau??s, rutulio ar disko formos.
Proton? ir neutron? branduoliai yra barionai, susidedantys i? ma?iausi?, vadinam? kvarkais. Traukos j?gos diapazonas yra labai ma?as, tod?l protonai ir neutronai turi b?ti labai arti vienas kito, kad b?t? suri?ti. ?i stipri trauka ?veikia nat?ral? ?kraut? proton? atst?mim?.
Protonas, neutronas ir elektronas
Galingas post?mis pl?toti tok? moksl? kaip branduolin? fizika buvo neutrono atradimas (1932). U? tai tur?tume pad?koti angl? fizikui, kuris buvo Rutherfordo mokinys. Kas yra neutronas? Tai nestabili dalel?, kuri laisvoje b?senoje vos per 15 minu?i? gali suskaidyti ? proton?, elektron? ir neutrin?, vadinam?j? bemas? neutrali? dalel?.
Dalel? gavo savo pavadinim?, nes neturi elektros kr?vio, yra neutrali. Neutronai yra labai tank?s. Izoliuotoje b?senoje vieno neutrono mas? bus tik 1,67·10 - 27, o jei paimsite arbatin? ?auk?tel?, tankiai prikim?t? neutron?, gautas med?iagos gabalas svers milijonus ton?.
Proton? skai?ius elemento branduolyje vadinamas atominiu skai?iumi. ?is skai?ius kiekvienam elementui suteikia unikali? tapatyb?. Kai kuri? element?, pavyzd?iui, anglies, atomuose proton? skai?ius branduoliuose visada yra vienodas, ta?iau neutron? skai?ius gali skirtis. Tam tikro elemento atomas, kurio branduolyje yra tam tikras neutron? skai?ius, vadinamas izotopu.
Ar pavieniai neutronai yra pavojingi?
Kas yra neutronas? Tai dalel?, kuri kartu su protonu yra ?traukta ? Ta?iau kartais jos gali egzistuoti ir pa?ios. Kai neutronai yra u? atom? branduoli? rib?, jie ?gyja potencialiai pavojing? savybi?. Kai jie juda dideliu grei?iu, jie sukuria mirtin? spinduliuot?. Vadinamosios neutronin?s bombos, ?inomos d?l savo geb?jimo ?udyti ?mones ir gyv?nus, ta?iau turi minimal? poveik? negyvoms fizin?ms strukt?roms.
Neutronai yra labai svarbi atomo dalis. Didelis ?i? daleli? tankis kartu su j? grei?iu suteikia joms nepaprast? griaunan?i? gali? ir energij?. D?l to jie gali pakeisti ar net supl??yti atom?, ? kuriuos atsitrenkia, branduolius. Nors neutronas turi gryn?j? neutral? elektrin? kr?v?, j? sudaro ?krauti komponentai, kurie panaikina vienas kit? kr?vio at?vilgiu.
Neutronas atome yra ma?yt? dalel?. Kaip ir protonai, jie yra per ma?i, kad juos b?t? galima pamatyti net elektroniniu mikroskopu, ta?iau jie yra, nes tik taip galima paai?kinti atom? elges?. Neutronai yra labai svarb?s atomo stabilumui, ta?iau u? jo atomo centro jie negali egzistuoti ilgai ir vidutini?kai suyra tik per 885 sekundes (apie 15 minu?i?).
- Vertimas
Kiekvieno atomo centre yra branduolys, ma?yt? daleli?, vadinam? protonais ir neutronais, rinkinys. ?iame straipsnyje mes tyrin?sime proton? ir neutron?, kurie susideda i? dar ma?esni? daleli? – kvark?, gliuon? ir antikvark?, prigimt?. (Gluonai, kaip ir fotonai, yra j? pa?i? antidalel?s.) Kvarkai ir gliuonai, kiek ?inome, gali b?ti tikrai elementar?s (nedalomi ir nesusidarantys i? nieko ma?esnio dyd?io). Bet jiems v?liau.
Keista, bet proton? ir neutron? mas? yra beveik tokia pati – procentais:
- 0,93827 GeV/c 2 protonui,
- 0,93957 GeV/c 2 neutronui.
Kadangi jie yra tokie pana??s ir tod?l, kad ?ios dalel?s sudaro branduolius, protonai ir neutronai da?nai vadinami nukleonais.
Protonai buvo nustatyti ir apra?yti apie 1920 m. (nors jie buvo atrasti anks?iau; vandenilio atomo branduolys yra tik vienas protonas), o neutronai buvo atrasti apie 1933 m. Beveik i? karto buvo suprasta, kad protonai ir neutronai yra tokie pana??s vienas ? kit?. Ta?iau faktas, kad j? dydis yra pana?us ? branduolio dyd? (ma?daug 100 000 kart? ma?esnis u? atomo spindul?), buvo ?inomas tik 1954 m. Kad jie susideda i? kvark?, antikvark? ir gliuon?, buvo palaipsniui suprantama nuo septintojo de?imtme?io vidurio iki a?tuntojo de?imtme?io vidurio. 70-?j? pabaigoje ir 80-?j? prad?ioje m?s? supratimas apie protonus, neutronus ir tai, i? ko jie pagaminti, i? esm?s nusistov?jo ir nuo to laiko nepasikeit?.
Nukleonus apib?dinti daug sunkiau nei atomus ar branduolius. Negalima sakyti, kad atomai i? principo yra paprasti, bet bent jau galima negalvojant pasakyti, kad helio atomas susideda i? dviej? elektron?, skriejan?i? aplink ma?yt? helio branduol?; o helio branduolys yra gana paprasta dviej? neutron? ir dviej? proton? grup?. Ta?iau su nukleonais viskas n?ra taip paprasta. Jau ra?iau straipsnyje „Kas yra protonas ir kas jo viduje?“, kad atomas – kaip eleganti?kas menuetas, o nukleonas – kaip laukinis vakar?lis.
Atrodo, kad protono ir neutrono sud?tingumas yra tikras ir kyla ne d?l nei?sami? fizikos ?ini?. Turime lygtis, naudojamas apib?dinti kvarkus, antikvarkus ir gliuonus bei tarp j? vykstan?i? stipri? branduolin? s?veik?. ?ios lygtys vadinamos QCD, i? kvantin?s chromodinamikos. Lyg?i? tikslum? galima i?bandyti ?vairiais b?dais, ?skaitant daleli?, pagamint? dideliame hadron? greitintuve, skai?i?. ?jung? QCD lygtis ? kompiuter? ir atlik? proton? ir neutron? bei kit? pana?i? daleli? (bendrai vadinam? „hadronais“) savybi? skai?iavimus, gauname ?i? daleli? savybi? prognozes, kurios artimai atitinka realiame pasaulyje atliktus steb?jimus. Tod?l turime pagrindo manyti, kad QCD lygtys nemeluoja ir kad m?s? ?inios apie proton? ir neutron? yra pagr?stos teisingomis lygtimis. Ta?iau vien tik tinkam? lyg?i? neu?tenka, nes:
- Paprastos lygtys gali tur?ti labai sud?tingus sprendimus,
- Kartais ne?manoma paprastai apib?dinti sud?ting? sprendim?.
D?l nukleonams b?dingo sud?tingumo j?s, skaitytojai, tur?site pasirinkti: kiek norite su?inoti apie apra?yt? sud?tingum?? Kad ir kaip toli eitum?te, pasitenkinimo tai grei?iausiai nesuteiks: kuo daugiau su?inosite, tuo tema taps ai?kesn?, ta?iau galutinis atsakymas i?liks tas pats – protonas ir neutronas yra labai sud?tingi. Galiu pasi?lyti tris supratimo lygius su vis daugiau detali?; galite sustoti po bet kurio lygio ir pereiti prie kit? tem? arba galite pasinerti iki paskutinio. Kiekvienas lygis kelia klausim?, ? kuriuos i? dalies galiu atsakyti kitame, ta?iau nauji atsakymai kelia nauj? klausim?. Galiausiai – kaip ir profesin?se diskusijose su kolegomis ir pa?engusiais studentais – galiu remtis tik reali? eksperiment? metu gautais duomenimis, ?vairiais ?takingais teoriniais argumentais ir kompiuteriniais modeliavimais.
Pirmasis supratimo lygis
I? ko sudaryti protonai ir neutronai?Ry?iai. 1: pernelyg supaprastinta proton? versija, kuri? sudaro tik du auk?tyn ir vienas ?emyn kvarkas, ir neutronai, susidedantys tik i? dviej? apatini? kvark? ir vieno auk?tyn kvarko
Kad b?t? papras?iau, daugelyje knyg?, straipsni? ir svetaini? nurodoma, kad protonai susideda i? trij? kvark? (du auk?tyn kvarkai ir vienas ?emyn kvarkai), ir pie?ia ka?k? pana?aus ? Fig. 1. Neutronas yra tas pats, tik susidedantis i? vieno auk?tyn ir dviej? ?emyn nukreipt? kvark?. ?is paprastas vaizdas iliustruoja tai, kuo kai kurie mokslininkai tik?jo, da?niausiai septintajame de?imtmetyje. Ta?iau netrukus tapo ai?ku, kad ?is po?i?ris buvo per daug supaprastintas, kad jis neb?ra teisingas.
I? sud?tingesni? informacijos ?altini? su?inosite, kad protonai susideda i? trij? kvark? (du auk?tyn ir vien? ?emyn), kuriuos kartu laiko gliuonai – ir gali pasirodyti vaizdas, pana?us ? 1 pav. 2, kur gliuonai br??iami kaip spyruokl?s arba stygos, laikan?ios kvarkus. Neutronai yra vienodi, tik su vienu auk?tyn ir dviem ?emyn kvarkais.
Ry?iai. 2: tobulinimas pav. 1 d?l to, kad pabr??iamas svarbus stiprios branduolin?s j?gos, laikan?ios kvarkus protone, vaidmuo.
Tai n?ra toks blogas b?das apib?dinti nukleonus, nes pabr??iamas svarbus stiprios branduolin?s j?gos, sulaikan?ios kvarkus protone gliuon? s?skaita, vaidmuo (kaip pat fotonas, ?vies? sudaranti dalel?, yra susij?s su elektromagnetin? j?ga). Ta?iau tai taip pat kelia painiav?, nes i? tikr?j? nepaai?kina, kas yra gliuonai ar k? jie daro.
Yra prie?as?i? eiti ? priek? ir apra?yti dalykus taip, kaip a?: proton? sudaro trys kvarkai (du auk?tyn ir vienas ?emyn), kr?va gluon? ir kalnas kvark? ir antikvark? por? (daugiausia kvark? auk?tyn ir ?emyn, bet taip pat yra keletas keist?) . Visi jie skraido pirmyn ir atgal labai dideliu grei?iu (art?dami prie ?viesos grei?io); vis? ?? rinkin? laiko stipri branduolin? j?ga. A? tai pademonstravau pav. 3. Neutronai v?l tokie patys, bet su vienu auk?tyn ir dviem ?emyn kvarkais; Kvarkas, pakeit?s savo tapatyb?, pa?ym?tas rodykle.
Ry?iai. 3: tikrovi?kesnis, nors ir netobulas, proton? ir neutron? vaizdavimas
?ie kvarkai, antikvarkai ir gliuonai ne tik pa??lusiai ver?iasi pirmyn ir atgal, bet ir susiduria vienas su kitu bei virsta vienas kitu per tokius procesus kaip daleli? anihiliacija (kurio metu to paties tipo kvarkas ir antikvarkas virsta dviem gliuonais, arba atvirk??iai) arba gliuono absorbcija ir emisija (kai kvarkas ir gliuonas gali susidurti ir pagaminti kvark? ir du gliuonus, arba atvirk??iai).
K? bendro turi ?ie trys apra?ymai:
- Du auk?tyn ir ?emyn kvarkai (ir dar ka?kas) protonui.
- Neutronas turi vien? auk?tyn kvark? ir du ?emyn kvarkus (ir dar ka?k?).
- Neutron? „ka?kas kitas“ sutampa su proton? „ka?kuo kitu“. Tai yra, nukleonai turi t? pat? „ka?k? kit?“.
- Nedidelis protono ir neutrono mas?s skirtumas atsiranda d?l apatinio ir auk?tojo kvarko masi? skirtumo.
- vir?utini? kvark? elektros kr?vis yra lygus 2/3 e (kur e yra protono kr?vis, -e yra elektrono kr?vis),
- dugno kvarkai turi -1/3e kr?v?,
- gliuonai turi 0 kr?v?,
- bet kurio kvarko ir j? atitinkan?io antikvarko bendras kr?vis yra 0 (pavyzd?iui, antidown kvarko kr?vis yra +1/3e, taigi p?k? kvarko ir p?kinio kvarko kr?vis –1/3 e +1/3 e = 0),
- bendras protono elektros kr?vis yra 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- bendras neutrono elektrinis kr?vis yra 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- kiek „ka?ko kito“ yra nukleone,
- k? jis ten veikia
- i? kur atsiranda nukleono mas? ir mas?s energija (E = mc 2, ten esanti energija, net kai dalel? yra ramyb?s b?senoje).
Ry?iai. 1 sako, kad kvarkai i? esm?s yra tre?dalis nukleono, pana?iai kaip protonas ar neutronas yra ketvirtadalis helio branduolio arba 1/12 anglies branduolio. Jei ?is vaizdas b?t? teisingas, kvarkai nukleone jud?t? santykinai l?tai (daug l??iau nei ?viesa), o tarp j? veikt? santykinai silpna s?veika (nors ir su tam tikra galinga j?ga, laikan?ia juos vietoje). Kvarko mas? auk?tyn ir ?emyn b?t? ma?daug 0,3 GeV/c 2 , ma?daug tre?dalis protono mas?s. Ta?iau ?is paprastas vaizdas ir jo primestos id?jos yra tiesiog klaidingi.
Ry?iai. 3. suteikia visi?kai kitoki? proton?, kaip jame artimu ?viesai grei?iu besisukan?i? daleli? katil?, id?j?. ?ios dalel?s susiduria viena su kita ir ?iuose susid?rimuose vienos i? j? sunaikinamos, o kitos susidaro j? vietoje. Gliuonai neturi mas?s, vir?utini? kvark? mas? yra ma?daug 0,004 GeV/c 2 , o apatini? kvark? mas? yra 0,008 GeV/c 2 – ?imtus kart? ma?esn? u? proton?. I? kur atsiranda proton? mas?s energija, yra sud?tingas klausimas: dalis jos gaunama i? kvark? ir antikvark? mas?s energijos, dalis i? kvark?, antikvark? ir gliuon? jud?jimo energijos, o dalis (galb?t teigiama, galb?t neigiama) ) i? energijos, sukauptos stiprioje branduolin?je s?veikoje, kartu sulaikant kvarkus, antikvarkus ir gliuonus.
Tam tikra prasme pav. 2 bandymai i?spr?sti skirtum? tarp Fig. 1 ir pav. 3. Tai supaprastina fig?r?. 3, pa?alinant daugyb? kvark? ir antikvark? por?, kurias i? esm?s galima pavadinti trumpalaik?mis, nes jos nuolat atsiranda ir i?nyksta ir n?ra b?tinos. Ta?iau susidaro ?sp?dis, kad nukleonuose esantys gliuonai yra tiesiogin? stiprios branduolin?s j?gos, laikan?ios protonus, dalis. Ir tai nepaai?kina, i? kur atsiranda protono mas?.
Fig. 1, be siaur? protono ir neutrono r?m?, yra dar vienas tr?kumas. Tai nepaai?kina kai kuri? kit? hadron? savybi?, pavyzd?iui, piono ir rho mezono. Fig. turi tas pa?ias problemas. 2.
?ie apribojimai l?m? tai, kad savo studentams ir savo svetain?je pateikiau paveiksl?l? i? Fig. 3. Ta?iau noriu persp?ti, kad ji taip pat turi daug apribojim?, kuriuos aptarsiu v?liau.
Verta pamin?ti, kad ypatingas konstrukcijos sud?tingumas, nurodytas Fig. 3 b?t? galima tik?tis i? objekto, kur? kartu laiko tokia galinga j?ga kaip stipri branduolin? j?ga. Ir dar vienas dalykas: trys kvarkai (du auk?tyn ir vienas ?emyn protonui), kurie n?ra kvark? ir antikvark? por? grup?s dalis, da?nai vadinami „valentingais kvarkais“, o kvark? ir antikvark? poros vadinamos „j?ra kvark? poros“. Tokia kalba daugeliu atvej? yra techni?kai patogi. Ta?iau susidaro klaidingas ?sp?dis, kad pa?velgus ? protono vid? ir pa?velgus ? konkret? kvark?, i?kart b?t? galima suprasti, ar tai j?ros dalis, ar valentinis. To padaryti negalima, tokio b?do tiesiog n?ra.
Proton? mas? ir neutron? mas?
Kadangi protono ir neutrono mas?s yra labai pana?ios, o protonas ir neutronas skiriasi tik tuo, kad auk?tyn kvark? pakei?ia ?emyn kvarku, tik?tina, kad j? mas?s pateikiamos vienodai, gaunamos i? to paties ?altinio. , o j? skirtumas yra nedideliame skirtume tarp auk?tyn ir ?emyn nukreipt? kvark?. Ta?iau trys auk??iau pateikti skai?iai rodo, kad yra trys labai skirtingi po?i?riai ? proton? mas?s kilm?.Ry?iai. 1 sako, kad auk?tyn ir ?emyn kvarkai tiesiog sudaro 1/3 protono ir neutrono mas?s: ma?daug 0,313 GeV/c 2 arba d?l energijos, reikalingos kvarkams laikyti protone. Ir kadangi skirtumas tarp protono ir neutrono masi? yra procentin? dalis, skirtumas tarp kvarko auk?tyn ir ?emyn masi? taip pat turi b?ti procento dalis.
Ry?iai. 2 yra ma?iau ai?kus. Kiek protono mas?s susidaro d?l gliuon?? Ta?iau i? esm?s i? paveikslo matyti, kad did?ioji dalis proton? mas?s vis tiek gaunama i? kvark? mas?s, kaip parodyta Fig. 1.
Ry?iai. 3 atspindi labiau niuansuot? po?i?r? ? tai, kaip i? tikr?j? susidaro protono mas? (kaip galime patikrinti tiesiogiai kompiuteriniais protono skai?iavimais ir netiesiogiai naudojant kitus matematinius metodus). Tai labai skiriasi nuo id?j?, pateikt? pav. 1 ir 2, ir tai pasirodo ne taip paprasta.
Norint suprasti, kaip tai veikia, reikia galvoti ne apie protono mas? m, o ? jo mas?s energij? E = mc 2 , energij?, susijusi? su mase. Konceptualiai teisingas klausimas yra ne „i? kur atsiranda protono m mas?“, po kurio galite apskai?iuoti E, padaugin? m i? c 2 , bet atvirk??iai: „i? kur atsiranda protono mas?s E energija, “, po kurio galite apskai?iuoti mas? m, padalydami E i? c 2 .
Naudinga suskirstyti ?na?us ? proton? mas?s energij? ? tris grupes:
A) Jame esan?i? kvark? ir antikvark? mas?s energija (poilsio energija) (gliuonai, bemas?s dalel?s neprisideda).
B) Kvark?, antikvark? ir gliuon? jud?jimo energija (kinetin? energija).
C) S?veikos energija (ri?imo energija arba potenciali energija), sukaupta stiprioje branduolin?je s?veikoje (tiksliau gliuono laukuose), laikan?ioje proton?.
Ry?iai. 3 sako, kad dalel?s protono viduje juda dideliu grei?iu ir kad jis pilnas bemasi? gliuon?, tod?l B) ind?lis yra didesnis nei A). Paprastai daugumoje fizini? sistem? B) ir C) yra palyginamos, o C) da?nai yra neigiama. Taigi protono (ir neutrono) mas?s energija daugiausia gaunama i? B) ir C derinio, o A) sudaro nedidel? dal?. Tod?l protono ir neutrono mas?s atsiranda daugiausia ne d?l juose esan?i? daleli? mas?s, o d?l ?i? daleli? jud?jimo energijos ir j? s?veikos energijos, susijusios su gliuono laukais, generuojan?iais j?gas, laikan?ias protonas. Daugumoje kit? mums ?inom? sistem? energijos balansas pasiskirsto kitaip. Pavyzd?iui, atomuose ir Saul?s sistemoje A) dominuoja, o B) ir C) yra daug ma?esni ir palyginamo dyd?io.
Apibendrinant, atkreipiame d?mes?, kad:
- Ry?iai. 1 daroma prielaida, kad proton? mas?s energija gaunama i? A).
- Ry?iai. 2 daroma prielaida, kad abu ?na?ai A) ir B) yra svarb?s, o B) ?ne?a nedidel? ind?l?.
- Ry?iai. 3 rodo, kad B) ir C) yra svarb?s, o A) ind?lis yra nereik?mingas.
Jei pav. 3 nemeluoja, kvarko ir antikvarko mas?s labai ma?os. Kokie jie i? tikr?j?? Vir?utinio kvarko (taip pat ir antikvarko) mas? nevir?ija 0,005 GeV/c 2, o tai yra daug ma?esn? nei 0,313 GeV/c 2, kaip matyti i? Fig. 1. (Auk?to kvarko mas? sunku i?matuoti ir ji skiriasi d?l subtili? efekt?, tod?l gali b?ti daug ma?esn? nei 0,005 GeV/c2). Apatinio kvarko mas? yra ma?daug 0,004 GeV/s 2 didesn? u? vir?utinio kvarko mas?. Tai rei?kia, kad bet kurio kvarko ar antikvarko mas? nevir?ija vieno procento protono mas?s.
Atkreipkite d?mes?, kad tai rei?kia (prie?ingai nei 1 pav.), kad kvarko ir kvarko mas?s santykis nepriart?ja prie vienyb?s! Ma?ojo kvarko mas? yra bent du kartus didesn? u? kvarko mas?. Prie?astis, kod?l neutrono ir protono mas?s yra tokios pana?ios, yra ne tod?l, kad auk?tyn ir ?emyn kvark? mas?s yra pana?ios, o tod?l, kad auk?tyn ir ?emyn kvark? mas?s yra labai ma?os – o skirtumas tarp j? ma?as, santykinis. proton? ir neutron? mas?ms. Atminkite, kad norint proton? paversti neutronu, tereikia vien? jo auk?tyn kvark? pakeisti ?emyniniu kvarku (3 pav.). ?io pakeitimo pakanka, kad neutronas tapt? ?iek tiek sunkesnis u? proton? ir pakeist? jo kr?v? nuo +e iki 0.
Beje, tai, kad ?vairios dalel?s protono viduje susiduria viena su kita, nuolat atsiranda ir i?nyksta, m?s? aptariamiems dalykams ?takos neturi – bet kokio susid?rimo metu i?saugoma energija. Kvark? ir gliuon? mas?s energija ir jud?jimo energija gali kisti, j? s?veikos energija, ta?iau bendra protono energija nekinta, nors viskas jo viduje nuolat kinta. Taigi protono mas? i?lieka pastovi, nepaisant jo vidinio s?kurio.
?iuo metu galite sustoti ir ?sisavinti gaut? informacij?. Nuostabu! Beveik visa ?prastoje med?iagoje esanti mas? gaunama i? atom? nukleon? mas?s. Ir did?ioji dalis ?ios mas?s atsiranda d?l chaoso, b?dingo protonui ir neutronui – i? kvark?, gliuon? ir antikvark? jud?jimo energijos nukleonuose ir i? stiprios branduolin?s s?veikos energijos, kuri i?laiko nukleon? visoje jo b?senoje. Taip: m?s? planeta, m?s? k?nai, m?s? kv?pavimas yra tokios tylios ir iki ?iol ne?sivaizduojamos pandemonijos pasekm?.
