Протоны и нейтроны

Все окружающие нас предметы состоят из молекул, которые, в свою очередь, образуются из атомов, то есть мельчайших частиц химических элементов. Несмотря на исключительно малые размеры, атомы представляют собой весьма сложные образования, включающие центральное тяжелое ядро и легкую оболочку из электронов, число которых обычно равно порядковому номеру элемента в менделеевской периодической системе. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Оно также имеет очень сложное строение. Основными «кирпичиками», из которых построены ядра, являются протоны и нейтроны.
Протон - это ядро атома водорода, самого легкого химического элемента, занимающего в таблице Д. И. Менделеева первое место и в соответствии с этим имеющего в электронной оболочке всего лишь один электрон. Если ионизовать атом водорода, то есть удалить его единственный электрон, то останется ядро, которое из-за отсутствия оболочки можно назвать «голым» ядром и которое как раз и будет протоном (от греческого слова «протос» - первый).
Протон - положительно заряженная частица, причем заряд его по величине в точности равен заряду электрона. Масса протона выражается цифрой в 1,6-10 -24 грамма. Это значит, что масса тысячи миллионов протонов в 10 тысяч раз меньше одной стомиллионной доли миллиграмма. И все же эта «элементарная» частица относится к разряду «тяжелых», ибо масса ее в 1836,6 раза больше массы электрона. Очень невелики и размеры протона: его диаметр в 100 тысяч раз меньше диаметра атома, равного примерно одной стомиллионной сантиметра. Вследствие этого плотность вещества протона, несмотря на его ничтожно малую массу, огромна. Если бы кубик с ребром в 1 миллиметр удалось наполнить этими частицами так, чтобы они целиком заняли весь объем, касаясь друг друга, то такой кубик весил бы 120 тысяч тонн! Конечно, в действительности осуществить подобный эксперимент нельзя. Протоны, будучи одноименно заряженными частицами, отталкиваются друг от друга, и нужны колоссальные силы, чтобы сблизить их. Однако есть звезды, на которых существуют условия, благоприятные для сравнительно близкого подхода протонов друг к другу. Эти звезды (например, звезда ванн - Маанена в созвездии Рыб) отличаются чрезвычайно высокой плотностью вещества, хотя она, разумеется, в миллионы раз меньше, чем в рассмотренном нами случае кубика, состоящего из одних протонов.
Тот факт, что в состав атомных ядер входят протоны, был доказан в результате опытов, проведенных в 1919 году английским физиком Резерфордом. В этих опытах он использовал поток быстрых альфа - частиц (то есть ядер атомов гелия), образующихся в процессе радиоактивного распада радия С. При бомбардировке альфа - частицами ядер азота обнаружилось, что последние испускали какие-то быстрые частицы с одновременным вылетом в противоположном направлении медленных тяжелых частиц. При изучении этого явления в камере Вильсона было установлено, что быстрые частицы представляют собой протоны, а медленные - ядра кислорода. Выяснилось, что ядро азота, захватывая одну альфа - частицу, преобразуется в ядро кислорода с испусканием одного протона. Бомбардировка альфа - частицами ядер атомов других элементов подтвердила наличие протонов и в этих ядрах.
Однако ядра (за исключением ядра водорода) не могут состоять только из одних протонов. Действительно, ядро атома гелия, занимающего второе место в таблице Д. И. Менделеева, имеет заряд, равный заряду двух протонов, а его масса больше массы протона в четыре раза. Точно так же заряд ядра кислорода равен восьми зарядам протона, а масса этого ядра в шестнадцать раз больше массы протона. Объяснение такого расхождения было найдено после открытия новой «элементарной» частицы - так называемого нейтрона.
В 1930 году ученые установили, что при бомбардировке альфа-частицами некоторых элементов (бериллия, бора и других) появляется излучение из незаряженных частиц, способное проникать через слой свинца сравнительно большей толщины (до 5 сантиметров). В 1931 году французские физики Ирэн и Фредерик Жолио - Кюри обнаружили, что если на пути этого излучения поместить вещество, молекулы которого содержат большое число водородных атомов (например, парафин), то из него начинают вылетать протоны.
Можно было бы предположить, что вновь открытое излучение состоит из фотонов. Однако для того, чтобы иметь возможность выбивать из парафина протоны, эти фотоны должны были бы обладать энергией около 50 миллионов электрон вольт. В последнем случае они проникали бы через значительно большие толщи свинца, чем наблюдалось на опыте (для прохождения фотона через 5 сантиметров свинца нужна энергия всего лишь в 5 миллионов электрон - вольт). Возникшее противоречие было решено в результате работ английского ученого Чадвика. Он показал, что вылетающие из парафина протоны, а также ядра, испускаемые под воздействием неизвестного излучения другими атомами, движутся так, будто они выбиты не фотоном, а тяжелой частицей, масса которой приблизительно равна массе протона. Таким образом, усилиями ряда физиков было установлено существование незаряженной тяжелой частицы - нейтрона. Масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, но в отличие от протона (и электрона) его заряд равен нулю. Именно поэтому нейтроны обладают способностью проникать через толстые слои свинца.
Незаряженная частица может попасть внутрь атома, не испытывая ни отталкивания, ни притяжения со стороны заряженных частиц (электронов и ядра) и не тратя своей энергии на преодоление действия электрических сил, на ионизацию атомов. Отсюда и путь нейтрона, в каком - либо веществе при прочих равных условиях длиннее, чем, например, протона. Вследствие неспособности нейтрона производить ионизацию его очень трудно заметить, что явилось причиной сравнительно позднего обнаружения этой частицы.
Открытие нейтрона позволило понять, почему вес атомных ядер превышает вес содержащихся в них протонов. Советские ученые Д. Д. Иваненко и Е. Д. Гапон выдвинули идею о протоно - нейтронном строении ядер, которая ныне является общепринятой. Согласно этой точке зрения, в ядре гелия находятся, кроме двух протонов, еще два нейтрона, и поэтому его заряд равен двум, а масса в четыре раза больше массы протона (или почти равной ей массы нейтрона). Точно так же и в других ядрах, помимо протонов, присутствуют нейтроны. При ядерных расщеплениях, вызываемых, например, попаданием в ядро быстрой альфа-частицы, может происходить испускание нейтронов. Этот процесс как раз и послужил первым указанием на существование последних.
Не имеющий заряда нейтрон легко может проникать не только внутрь атома, но даже и внутрь ядра. Попадание нейтрона в тяжелое ядро приводит в ряде случаев к разрушению последнего, в результате чего образуются более легкие ядра и выделяется весьма значительное количество внутриядерной энергии. Свойство нейтронов производить ядерные расщепления используется для получения атомной (правильнее было бы сказать - ядерной) энергии.
Большая проникающая способность нейтронов, наряду со способностью разрушать ядра, обусловливает их опасное действие на живые существа. Достаточно мощный поток нейтронов, попав во внутренние части организма, выбивает из ядер быстрые протоны и другие заряженные частицы, которые, ионизуя встречающиеся на их пути атомы сложных органических молекул, способствуют разложению последних и тем самым нарушению жизнедеятельности растения или животного. Однако разрушительные свойства нейтронов можно использовать для блага людей. Ведь именно с помощью этих частиц ученые открыли прежде недоступные природные кладовые внутриядерной энергии: Разбивая ядра, нейтроны высвобождают эту энергию, которую у нас в Советском Союзе уже применяют в мирных целях. Кроме того, некоторые химические элементы после бомбардировки нейтронами превращаются в искусственные радиоактивные вещества, находящие все более широкое распространение в медицине, при изучении жизнедеятельности организмов методом меченых атомов, в технике и т. п.
В настоящее время существует много способов получения нейтронов, необходимых для проведения различных исследований в области ядерной физики и для ряда практических применений. Самым старым из этих способов является изготовление так называемого радий - бериллиевого источника. Стеклянный или металлический сосудик заполняют порошком бериллия в смеси с какой-либо солью радия (например, бромистым радием). При радиоактивном распаде из ядер радия вылетают альфа-частицы, которые, взаимодействуя с ядрами бериллия, выбивают из них нейтроны. Последние благодаря большой проникающей способности свободно проходят через стенки сосуда.
После изобретения специальных устройств - ускорителей (циклотронов, фазотронов, синхрофазотронов и других), сообщающих заряженным частицам большие энергии, появилась возможность получать нейтроны искусственным путем. Для этого пучок ускоренных в циклотроне или другой подобной машине заряженных тяжелых частиц, скажем, дейтронов (ядер тяжелого водорода), направляют на мишень, сделанную из определенного вещества (например, из лития). В результате из ядер атомов мишени выбиваются нейтроны. Меняя энергию бомбардирующих мишень «снарядов», можно получать нейтроны различной энергии.
Еще одним мощным источником тяжелых незаряженных частиц являются ядерные реакторы (котлы), в которых осуществляются цепные реакции деления тяжелых ядер. При этом образуется большое число нейтронов, выходящих из котла наружу.
Нейтроны, как и другие «элементарные» частицы (электроны, протоны), обладают волновыми свойствами. Пучок нейтронов, подобно свету (потоку фотонов) 3, испытывает отражение, дифракцию, поляризуется и т. п. Поэтому тяжелые незаряженные частицы можно использовать для изучения строения кристаллов (путем их просвечивания нейтронным пучком) так же, как используются рентгеновские лучи. Некоторую трудность представляет регистрация нейтронов, ибо они не производят ионизации и потому нельзя заметить их прохождения через камеру Вильсона, счетчик, ионизационную камеру я другие приборы, применяющиеся обычно для обнаружения и счета заряженных частиц. Не оставляют следов нейтроны и в фотоэмульсиях. Однако свойство нейтронов разрушать ядра, вызывать ядерные реакции дает нам в руки способ для регистрации этих частиц. В обычный счетчик или ионизационную камеру добавляют газ, содержащий ядра бора. Нейтроны расщепляют эти ядра, при этом вылетают альфа-частицы, создающие разряды в счетчике или ионизационный ток в камере, что позволяет фиксировать поток нейтронов. Можно воспользоваться для обнаружения нейтронов фотоэмульсиями, к которым подмешаны соли лития или бара. При попадании нейтрона в ядро атома какого - либо из этих элементов происходит расщепление ядра с вылетом быстрой заряженной частицы, след которой виден в фотоэмульсии.

Несмотря на то, что между протонами и нейтронами имеется существенное различие, заключающееся в отсутствии заряда у последних, в других отношениях они очень похожи друг на друга. Массы этих частиц почти в точности равны, а их поведение внутри ядра (величина и характер ядерных сил, действующих между протонами, между нейтронами и между теми и другими) также примерно одинаково. Дело в том, что протоны, как одноименно заряженные частицы, должны отталкиваться в ядре друг от друга. Поскольку все же ядра существуют в виде устойчивых образований, очевидно, что протоны удерживаются в них какими-то силами, превышающими электростатические силы отталкивания. Оказалось, что эти специфические ядерные силы действуют не только между протонами и между нейтронами, но и связывают друг с другом частицы обоих этих видов. Это значит, что протоны и нейтроны ядра определенным образом взаимодействуют друг с другом (хотя физическая природа такого взаимодействия еще далеко не выяснена). Учеными было также обнаружено, что обе частицы могут превращаться друг в друга. Так, в ядре происходит превращение нейтрона в протон с испусканием отрицательно заряженного электрона и еще одной незаряженной легкой частицы -нейтрино (масса нейтрино меньше 1:400 массы электрона). Имеет место и другой процесс: протон в ядре переходит в нейтрон с вылетом положительно заряженного электрона (позитрона) и нейтрино. Все эти явления, наблюдаемые при распаде некоторых радиоактивных ядер, получили одно общее название бета - распада.
С точки зрения теории бета - распада, нейтрон и протон ничем не различаются: и тот и другой хорошо превращаются друг в друга. По этой причине обе частицы нередко называют просто нуклонами. Следует, правда, подчеркнуть, что если в ядре все нуклоны ведут себя по отношению к бета- распаду одинаково, то в свободном состоянии, вне ядра, протоны и нейтроны проявляют различные свойства. Протон сам по себе - устойчивая, или, как говорят иначе, стабильная частица, в то время как свободный нейтрон самопроизвольно распадается с периодом полураспада примерно в 20 минут. При этом он превращается в протон и испускает, как и при распаде внутри ядра, электрон и нейтрино.
Различие между протоном и нейтроном в свободном состоянии обусловлено рядом причин. Одной из них является то, что для превращения протона в нейтрон нужно затратить значительную энергию (во всяком случае большую, чем 1,9 миллиона электрон - вольт). Поскольку свободному протону неоткуда позаимствовать эту энергию, он и представляет собой стабильную частицу. Что же касается нейтрона, то он обладает большей массой, чем протон, и, следовательно, большим запасом энергии. При превращении нейтрона в протон выделяется приблизительно 800 тысяч электронвольт энергии. Поэтому свободные нейтроны отличаются свойством радиоактивности.
Протоны, нейтроны, нейтрино, так же как фотоны и электроны, встречаются в космических лучах. В частности, протоны составляют так называемую первичную компоненту космического излучения, то есть приходят на Землю из межзвездного пространства. Разумеется, нейтроны, которые в свободном состоянии превращаются в протоны, не могут присутствовать в первичном излучении. Однако они образуются в атмосфере при столкновении первичных протонов (и более тяжелых ядер) с ядрами атомов азота, кислорода и других газов воздушной оболочки нашей планеты. Протоны космических лучей обладают колоссальной энергией и поэтому могут, несмотря на наличие положительного заряда, легко проникать в ядра атомов. При столкновении нуклонов, обладающих такой гигантской энергией, происходят процессы, которые не наблюдаются при взаимодействии нуклонов меньшей энергии. Например, при таких столкновениях происходит рождение новых частиц - мезонов различных масс.
Описанные выше факты взаимодействия нуклонов в ядре совсем не означают, будто нейтрон состоит из протона и электрона или, наоборот, протон содержит в себе нейтрон и позитрон. Суть бета - распада заключается именно в том, что нейтрон превращается в три другие частицы (протон, электрон, нейтрино) или протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Эти процессы происходят при строгом соблюдении законов сохранения энергии, массы, количества движения, заряда и т. п. и убедительно свидетельствуют об изменчивости «элементарных» частиц и наличии глубокой связи между ними.

Изучая строение вещества, физики узнали, из чего сделаны атомы, добрались до атомного ядра и расщепили его на протоны и нейтроны. Все эти шаги давались довольно легко - надо было лишь разогнать частицы до нужной энергии, столкнуть их друг с другом, и тогда они сами разваливались на составные части.

А вот с протонами и нейтронами такой трюк уже не прошел. Хотя они и являются составными частицами, их не удается «разломать на части» ни в каком даже самом сильном столкновении. Поэтому физикам потребовались десятилетия для того, чтобы придумать разные способы заглянуть внутрь протона, увидеть его устройство и форму. В наши дни изучение структуры протона - одна из самых активных областей физики элементарных частиц.

Природа дает намеки

История изучения структуры протонов и нейтронов берет свое начало с 1930-х годов. Когда в дополнение к протонам были открыты нейтроны (1932), то, измерив их массу, физики с удивлением обнаружили, что она очень близка к массе протона. Более того, оказалось, что протоны и нейтроны «чувствуют» ядерное взаимодействие совершенно одинаковым образом. Настолько одинаковым, что, с точки зрения ядерных сил, протон и нейтрон можно считать как бы двумя проявлениями одной и той же частицы - нуклона: протон - это электрически заряженный нуклон, а нейтрон - нейтральный нуклон. Поменяйте протоны на нейтроны - и ядерные силы (почти) ничего не заметят.

Физики это свойство природы выражают как симметрию - ядерное взаимодействие симметрично относительно замены протонов на нейтроны, подобно тому как бабочка симметрична относительно замены левого на правое. Эта симметрия, кроме того что она сыграла важную роль в ядерной физике, была на самом деле первым намеком на то, что у нуклонов имеется интересное внутреннее строение. Правда, тогда, в 30-е годы, физики этот намек не осознали.

Понимание пришло позже. Началось с того, что в 1940–50-е годы в реакциях столкновения протонов с ядрами различных элементов ученые с удивлением обнаруживали всё новые и новые частицы. Не протоны, не нейтроны, не открытые к тому времени пи-мезоны, которые удерживают нуклоны в ядрах, а какие-то совсем новые частицы. При всём своем разнообразии эти новые частицы обладали двумя общими свойствами. Во-первых, они, так же как и нуклоны, очень охотно участвовали в ядерных взаимодействиях - сейчас такие частицы называют адронами. А во-вторых, они были исключительно нестабильными. Самые неустойчивые из них распадались на другие частицы всего за триллионную долю наносекунды, не успев пролететь даже на размер атомного ядра!

Долгое время «зоопарк» адронов представлял из себя полную мешанину. В конце 1950-х годов физики узнали уже достаточно много разных видов адронов, начали сравнивать их друг с другом и вдруг увидели некую общую симметричность, даже периодичность их свойств. Была высказана догадка, что внутри всех адронов (в том числе и нуклонов) сидят некие простые объекты, которые получили название «кварки». Комбинируя кварки разными способами, можно получать разные адроны, причем именно такого типа и с такими свойствами, которые обнаруживались в эксперименте.

Что делает протон протоном?

После того как физики открыли кварковое устройство адронов и узнали, что кварки бывают нескольких разных сортов, стало понятно, что из кварков можно сконструировать много различных частиц. Так что уже никого не удивляло, когда последующие эксперименты продолжали один за другим находить новые адроны. Но среди всех адронов обнаружилось целое семейство частиц, состоящих, точно так же как и протон, только из двух u -кварков и одного d -кварка. Этакие «собратья» протона. И вот тут физиков подстерегал сюрприз.

Давайте сначала сделаем одно простое наблюдение. Если у нас есть несколько предметов, состоящих из одинаковых «кирпичиков», то более тяжелые предметы содержат больше «кирпичиков», а более легкие - меньше. Это очень естественный принцип, который можно называть принципом комбинирования или принципом надстройки, и он прекрасно выполняется как в повседневной жизни, так и в физике. Он проявляется даже в устройстве атомных ядер - ведь более тяжелые ядра просто состоят из большего числа протонов и нейтронов.

Однако на уровне кварков этот принцип совершенно не работает, и, надо признаться, физики еще не до конца разобрались, почему. Оказывается, тяжелые собратья протона тоже состоят из тех же самых кварков, что и протон, хотя они в полтора, а то и в два раза тяжелее протона. Они отличаются от протона (и различаются между собой) не составом, а взаимным расположением кварков, тем, в каком состоянии относительно друг друга эти кварки находятся. Достаточно изменить взаимное положение кварков - и мы из протона получим другую, заметно более тяжелую, частицу.

А что будет, если все-таки взять и собрать вместе больше трех кварков? Получится ли новая тяжелая частица? Удивительно, но не получится - кварки разобьются по трое и превратятся в несколько разрозненных частиц. Почему-то природа «не любит» объединять много кварков в одно целое! Лишь совсем недавно, буквально в последние годы, стали появляться намеки на то, что некоторые многокварковые частицы всё же существуют, но это лишь подчеркивает, насколько природа их не любит.

Из этой комбинаторики следует очень важный и глубокий вывод - масса адронов вовсе не складывается из массы кварков. Но если массу адрона можно увеличить или уменьшить простым перекомбинированием составляющих его кирпичиков, значит, вовсе не сами кварки ответственны за массу адронов. И действительно, в последующих экспериментах удалось узнать, что масса самих кварков составляет лишь около двух процентов от массы протона, а вся остальная тяжесть возникает за счет силового поля (ему отвечают специальные частицы - глюоны), связывающего кварки вместе. Изменяя взаимное расположение кварков, например отодвигая их подальше друг от друга, мы тем самым изменяем глюонное облако, делаем его более массивным, из-за чего и возрастает масса адрона (рис. 1).

Что творится внутри быстро летящего протона?

Всё описанное выше касается неподвижного протона, на языке физиков - это устройство протона в его системе покоя. Однако в эксперименте структура протона была впервые обнаружена в других условиях - внутри быстро летящего протона.

В конце 1960-х годов в экспериментах по столкновению частиц на ускорителях было замечено, что летящие с околосветовой скоростью протоны вели себя так, словно энергия внутри них не распределена равномерно, а сконцентрирована в отдельных компактных объектах. Эти сгустки вещества внутри протонов знаменитый физик Ричард Фейнман предложил называть партонами (от английского part - часть).

В последующих экспериментах были изучены многие свойства партонов - например, их электрический заряд, их количество и доля энергии протона, которую каждый из них несет. Оказывается, заряженные партоны - это кварки, а нейтральные партоны - это глюоны. Да-да, те самые глюоны, которые в системе покоя протона просто «прислуживали» кваркам, притягивая их друг к другу, теперь являются самостоятельными партонами и наряду с кварками несут «вещество» и энергию быстро летящего протона. Опыты показали, что примерно половина энергии запасена в кварках, а половина - в глюонах.

Партоны удобнее всего изучать в столкновении протонов с электронами. Дело в том, что, в отличие от протона, электрон не участвует в сильных ядерных взаимодействиях и его столкновение с протоном выглядит весьма просто: электрон на очень короткое время испускает виртуальный фотон, который врезается в заряженный партон и порождает в конце концов большое число частиц (рис. 2). Можно сказать, что электрон является отличным скальпелем для «вскрытия» протона и разделения его на отдельные части - правда, лишь на очень короткое время. Зная, как часто происходят такие процессы на ускорителе, можно измерить количество партонов внутри протона и их заряды.

Кто такие партоны на самом деле?

И здесь мы подходим к еще одному поразительному открытию, которое сделали физики, изучая столкновения элементарных частиц при высоких энергиях.

В обычных условиях вопрос о том, из чего состоит тот или иной предмет, имеет универсальный ответ для всех систем отсчета. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода - и не важно, смотрим ли мы на неподвижную или на движущуюся молекулу. Однако это правило - казалось бы, такое естественное! - нарушается, если речь идет об элементарных частицах, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. В одной системе отсчета сложная частица может состоять из одного набора субчастиц, а в другой системе отсчета - из другого. Получается, что состав - понятие относительное !

Как такое может быть? Ключевым здесь является одно важное свойство: количество частиц в нашем мире не фиксировано - частицы могут рождаться и исчезать. Например, если столкнуть вместе два электрона с достаточно большой энергией, то вдобавок к этим двум электронам может родиться либо фотон, либо электрон-позитронная пара, либо еще какие-нибудь частицы. Всё это разрешено квантовыми законами, именно так и происходит в реальных экспериментах.

Но этот «закон несохранения» частиц работает при столкновениях частиц. А как же получается, что один и тот же протон с разных точек зрения выглядит состоящим из разного набора частиц? Дело в том, что протон - это не просто три кварка, сложенные вместе. Между кварками существует силовое глюонное поле. Вообще, силовое поле (как, например, гравитационное или электрическое поле) - это некая материальная «сущность», которая пронизывает пространство и позволяет частицам оказывать силовое влияние друг на друга. В квантовой теории поле тоже состоит из частиц, правда из особенных - виртуальных. Количество этих частиц не фиксировано, они постоянно «отпочковываются» от кварков и поглощаются другими кварками.

Покоящийся протон действительно можно представить себе как три кварка, между которыми перескакивают глюоны. Но если взглянуть на тот же протон из другой системы отсчета, словно из окна проезжающего мимо «релятивистского поезда», то мы увидим совсем иную картину. Те виртуальные глюоны, которые склеивали кварки вместе, покажутся уже менее виртуальными, «более настоящими» частицами. Они, конечно, по-прежнему рождаются и поглощаются кварками, но при этом какое-то время живут сами по себе, летят рядом с кварками, словно настоящие частицы. То, что выглядит простым силовым полем в одной системе отсчета, превращается в другой системе в поток частиц! Заметьте, сам протон мы при этом не трогаем, а только смотрим на него из другой системы отсчета.

Дальше - больше. Чем ближе скорость нашего «релятивистского поезда» к скорости света, тем более удивительную картину внутри протона мы увидим. По мере приближения к скорости света мы заметим, что глюонов внутри протона становится всё больше и больше. Более того, они иногда расщепляются на кварк-антикварковые пары, которые тоже летят рядом и тоже считаются партонами. В результате ультрарелятивистский протон, т. е. протон, движущийся относительно нас со скоростью, очень близкой к скорости света, предстает в виде взаимопроникающих облачков кварков, антикварков и глюонов, которые летят вместе и как бы поддерживают друг друга (рис. 3).

Читатель, знакомый с теорией относительности, может забеспокоиться. Вся физика основана на том принципе, что любой процесс протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчета. А тут получается, что состав протона зависит от системы отсчета, из которой мы его наблюдаем?!

Да, именно так, но это никак не нарушает принцип относительности. Результаты физических процессов - например, какие частицы и сколько рождаются в результате столкновения - действительно оказываются инвариантными, хотя состав протона зависит от системы отсчета.

Эта необычная на первый взгляд, но удовлетворяющая всем законам физики ситуация схематично проиллюстрирована на рисунке 4. Здесь показано, как столкновение двух протонов с большой энергией выглядит в разных системах отсчета: в системе покоя одного протона, в системе центра масс, в системе покоя другого протона. Взаимодействие между протонами осуществляется через каскад расщепляющихся глюонов, но только в одном случае этот каскад считается «внутренностью» одного протона, в другом случае - частью другого протона, а в третьем - это просто некий объект, которым обмениваются два протона. Этот каскад существует, он реален, но к какой части процесса его надо относить - зависит от системы отсчета.

Трехмерный портрет протона

Все результаты, про которые мы только что рассказали, базировались на экспериментах, выполненных довольно давно - в 60–70-х годах прошлого века. Казалось бы, с тех пор всё уже должно быть изучено и все вопросы должны найти свои ответы. Но нет - устройство протона по-прежнему остается одной из самых интересных тем в физике элементарных частиц. Более того, в последние годы интерес к ней снова возрос, потому что физики поняли, как получить «трехмерный» портрет быстро движущегося протона, который оказался гораздо сложнее портрета неподвижного протона.

Классические эксперименты по столкновению протонов рассказывают лишь о количестве партонов и их распределении по энергии. В таких экспериментах партоны участвуют как независимые объекты, а значит, из них нельзя узнать, как партоны расположены друг относительно друга, как именно они складываются в протон. Можно сказать, что долгое время физикам был доступен лишь «одномерный» портрет быстро летящего протона.

Для того чтобы построить настоящий, трехмерный, портрет протона и узнать распределение партонов в пространстве, требуются гораздо более тонкие эксперименты, чем те, которые были возможны 40 лет назад. Такие эксперименты физики научились ставить совсем недавно, буквально в последнее десятилетие. Они поняли, что среди огромного количества разных реакций, которые происходят при столкновении электрона с протоном, есть одна особенная реакция - глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние , - которая и сможет рассказать о трехмерной структуре протона.

Вообще, комптоновским рассеянием, или эффектом Комптона, называют упругое столкновение фотона с какой-нибудь частицей, например с протоном. Выглядит оно так: прилетает фотон, поглощается протоном, который на короткое время переходит в возбужденное состояние, а потом возвращается в исходное состояние, испуская фотон в каком-нибудь направлении.

Комптоновское рассеяние обычных световых фотонов не приводит ни к чему интересному - это простое отражение света от протона. Для того чтобы «вступила в игру» внутренняя структура протона и «почувствовались» распределения кварков, надо использовать фотоны очень большой энергии - в миллиарды раз больше, чем в обычном свете. А как раз такие фотоны - правда, виртуальные - легко порождает налетающий электрон. Если теперь объединить одно с другим, то и получится глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние (рис. 5).

Главная особенность этой реакции состоит в том, что она не разрушает протон. Налетающий фотон не просто бьет по протону, а как бы тщательно его ощупывает и затем улетает прочь. То, в какую сторону он улетает и какую часть энергии у него отбирает протон, зависит от устройства протона, от взаимного расположения партонов внутри него. Именно поэтому, изучая этот процесс, можно восстановить трехмерный облик протона, как бы «вылепить его скульптуру».

Правда, для физика-экспериментатора сделать это очень непросто. Нужный процесс происходит довольно редко, и зарегистрировать его трудно. Первые экспериментальные данные об этой реакции были получены лишь в 2001 году на ускорителе HERA в немецком ускорительном комплексе DESY в Гамбурге; новая серия данных сейчас обрабатывается экспериментаторами. Впрочем, уже сегодня, на основании первых данных, теоретики рисуют трехмерные распределения кварков и глюонов в протоне. Физическая величина, про которую физики раньше строили лишь предположения, наконец стала «проступать» из эксперимента.

Ждут ли нас какие-нибудь неожиданные открытия в этой области? Вполне вероятно, что да. В качестве иллюстрации скажем, что в ноябре 2008 года появилась интересная теоретическая статья, в которой утверждается, что быстро летящий протон должен иметь вид не плоского диска, а двояковогнутой линзы. Так получается потому, что партоны, сидящие в центральной области протона, сильнее сжимаются в продольном направлении, чем партоны, сидящие на краях. Было бы очень интересно проверить эти теоретические предсказания экспериментально!

Почему всё это интересно физикам?

Зачем вообще физикам надо знать, как именно распределено вещество внутри протонов и нейтронов?

Во-первых, этого требует сама логика развития физики. В мире есть много поразительно сложных систем, с которыми современная теоретическая физика пока не может полностью совладать. Адроны - одна из таких систем. Разбираясь с устройством адронов, мы оттачиваем способности теоретической физики, которые вполне могут оказаться универсальными и, возможно, помогут в чем-то совсем ином, например при изучении сверхпроводников или других материалов с необычными свойствами.

Во-вторых, тут есть непосредственная польза для ядерной физики. Несмотря на почти вековую историю изучения атомных ядер, теоретики до сих пор не знают точный закон взаимодействия протонов и нейтронов.

Им приходится этот закон отчасти угадывать, исходя из экспериментальных данных, отчасти конструировать на основе знаний о структуре нуклонов. Тут-то и помогут новые данные о трехмерном устройстве нуклонов.

В-третьих, несколько лет назад физики сумели получить ни много ни мало новое агрегатное состояние вещества - кварк-глюонную плазму. В таком состоянии кварки не сидят внутри отдельных протонов и нейтронов, а свободно гуляют по всему сгустку ядерного вещества. Достичь его можно, например, так: тяжелые ядра разгоняются в ускорителе до скорости, очень близкой к скорости света, и затем сталкиваются лоб в лоб. В этом столкновении на очень короткое время возникает температура в триллионы градусов, которая и расплавляет ядра в кварк-глюонную плазму. Так вот, оказывается, что теоретические расчеты этого ядерного плавления требуют хорошего знания трехмерного устройства нуклонов.

Наконец, эти данные очень нужны для астрофизики. Когда тяжелые звезды взрываются в конце своей жизни, от них часто остаются чрезвычайно компактные объекты - нейтронные и, возможно, кварковые звезды. Сердцевина этих звезд целиком состоит из нейтронов, а может быть даже и из холодной кварк-глюонной плазмы. Такие звезды уже давно обнаружены, но что происходит у них внутри - можно только догадываться. Так что хорошее понимание кварковых распределений может привести к прогрессу и в астрофизике.

• Перевод

В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.

Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:

• 0,93827 ГэВ/с 2 у протона,
• 0,93957 ГэВ/с 2 у нейтрона.

Это ключ к их природе – они на самом деле очень похожи. Да, между ними существует одно очевидное различие: у протона положительный электрический заряд, а у нейтрона заряда нет (он нейтральный, отсюда и его название). Соответственно, электрические силы действуют на первый, но не на второй. На первый взгляд это различие кажется очень важным! Но на самом деле это не так. Во всех остальных смыслах протон с нейтроном почти близнецы. У них идентичны не только массы, но и внутреннее строение.

Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.

Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.

Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые , но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье "Что такое протон, и что у него внутри? ", что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.

Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от "квантовая хромодинамика ". Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:

• У простых уравнений могут оказаться очень сложные решения,
• Иногда невозможно описать сложные решения простым способом.

Насколько мы можем судить, именно так дело обстоит с нуклонами: это сложные решения относительно простых уравнений КХД, и описать их парой слов или картинок не представляется возможным.

Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.

Первый уровень понимания

Из чего состоят протоны и нейтроны?

Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего

Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.

Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.

Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне

Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.

Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в : протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.

Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов

Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).

Что у этих трёх описаний общего:

• Два верхних кварка и нижний кварк (плюс что-то ещё) у протона.
• Один верхний кварк и два нижних кварка (плюс ещё что-то) у нейтрона.
• «Ещё что-то» у нейтронов совпадает с «ещё чем-то» у протонов. То есть, у нуклонов «ещё что-то» одинаковое.
• Небольшая разница в массе у протона и нейтрона появляется из-за разницы масс нижнего кварка и верхнего кварка.

И, поскольку:

• у верхних кварков электрический заряд равен 2/3 e (где e – заряд протона, -e – заряд электрона),
• у нижних кварков заряд равен -1/3e,
• у глюонов заряд 0,
• у любого кварка и соответствующего ему антикварка общий заряд равен 0 (к примеру, у антинижнего кварка заряд +1/3e, так что у нижнего кварка и нижнего антикварка заряд будет –1/3 e +1/3 e = 0),

Каждый рисунок относит электрический заряд протона на счёт двух верхних и одного нижнего кварка, а «ещё что-то» добавляет к заряду 0. Точно так же у нейтрона заряд нулевой благодаря одному верхнему и двум нижним кваркам:

• общий электрический заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• общий электрический заряд нейтрона 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

Различаются эти описания в следующем:

• сколько «ещё чего-то» внутри нуклона,
• что оно там делает,
• откуда берутся масса и энергия массы (E = mc 2 , энергия, присутствующая там, даже когда частица покоится) нуклона.

Поскольку большая часть массы атома, и, следовательно, всей обычной материи, содержится в протонах и нейтронах, последний пункт крайне важен для правильного понимания нашей природы.

Рис. 1 говорит о том, что кварки, по сути, представляют собой треть нуклона – примерно так, как протон или нейтрон представляют четверть ядра гелия или 1/12 ядра углерода. Если бы этот рисунок был правдив, кварки в нуклоне двигались бы относительно медленно (со скоростями гораздо меньшими световой) с относительно слабыми взаимодействиями, действующими между ними (хотя и при наличии некоей мощной силы, удерживающей их на месте). Масса кварка, верхнего и нижнего, составляла бы тогда порядка 0,3 ГэВ/с 2 , примерно треть массы протона. Но это простое изображение и навязываемые им идеи просто неверны.

Рис. 3. даёт совершенно другое представление о протоне, как о котле частиц, снующих в нём со скоростями, близкими к световой. Эти частицы сталкиваются друг с другом, и в этих столкновениях некоторые из них аннигилируют, а другие создаются на их месте. Глюоны не имеют массы, массы верхних кварков составляют порядка 0,004 ГэВ/с 2 , а нижних – порядка 0,008 ГэВ/с 2 - в сотни раз меньше протона. Откуда берётся энергия массы протона, вопрос сложный: часть её идёт от энергии массы кварков и антикварков, часть – от энергии движения кварков, антикварков и глюонов, а часть (возможно, положительная, возможно, отрицательная) из энергии, хранящейся в сильном ядерном взаимодействии, удерживающем кварки, антикварки и глюоны вместе.

В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.

У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона . Те же проблемы есть и у рис. 2.

Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.

Стоит отметить, что чрезвычайную сложность строения, подразумеваемая рис. 3, стоило ожидать от объекта, который удерживает вместе такая мощная сила, как сильное ядерное взаимодействие. И ещё одно: три кварка (два верхних и один нижний у протона), не являющиеся частью группы пар кварков-антикварков, часто называют «валентными кварками», а пары кварков-антикварков – «морем кварковых пар». Такой язык во многих случаях технически удобен. Но он даёт ложное впечатление того, что если бы вы смогли заглянуть внутрь протона, и посмотрели на определённый кварк, вы сразу смогли бы сказать, является ли он частью моря или валентным. Этого сделать нельзя, такого способа просто нет.

Масса протона и масса нейтрона

Поскольку массы протона и нейтрона так похожи, и поскольку протон и нейтрон отличаются только заменой верхнего кварка нижним, кажется вероятным, что их массы обеспечиваются одним и тем же способом, исходят из одного источника, и их разница заключается в небольшом отличии между верхним и нижним кварками. Но три приведённых рисунка говорят о наличии трёх очень разных взглядов на происхождение массы протона.

Рис. 1 говорит о том, что верхний и нижний кварки просто составляют по 1/3 от массы протона и нейтрона: порядка 0,313 ГэВ/с 2 , или из-за энергии, необходимой для удержания кварков в протоне. И поскольку разница между массами протона и нейтрона составляет долю процента, разница между массами верхнего и нижнего кварка тоже должна составлять долю процента.

Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.

Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.

Чтобы понять, как это работает, нужно думать не в терминах массы m протона, но в терминах его энергии массы E = mc 2 , энергии, связанной с массой. Концептуально правильным вопросом будет не «откуда взялась масса протона m», после которого вы можете подсчитать E, умножив m на c 2 , а наоборот: «откуда берётся энергия массы протона E», после которого можно подсчитать массу m, разделив E на c 2 .

Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:

А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.

Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.

Подводя итоги, укажем, что:

• Рис. 1 предполагает, что энергия массы протона происходит из вклада А).
• Рис. 2 предполагает, что важны оба вклада А) и В), и немного своей доли вносит Б).
• Рис. 3 предполагает, что важны Б) и В), а вклад А) оказывается незначительным.

Нам известно, что верен рис. 3. Для его проверки мы можем провести компьютерные симуляции, и, что более важно, благодаря различным убедительным теоретическим аргументам, мы знаем, что если бы массы верхнего и нижнего кварков были нулевыми (а всё остальное осталось, как есть), масса протона практически не изменилась бы. Так что, судя по всему, массы кварков не могут делать важные вклады в массу протона.

Если рис. 3 не врёт, массы кварка и антикварка очень малы. Какие они на самом деле? Масса верхнего кварка (как и антикварка) не превышает 0,005 ГэВ/с 2 , что гораздо меньше, чем 0,313 ГэВ/с 2 , который следует из рис. 1. (Массу верхнего кварка тяжело измерить, и это значение меняется из-за тонких эффектов, так что она может оказаться гораздо меньшей, чем 0,005 ГэВ/с 2). Масса нижнего кварка примерно на 0,004 ГэВ/с 2 больше массы верхнего. Это значит, что масса любого кварка или антикварка не превышает одного процента массы протона.

Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.

Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.

На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.

§1. Знакомьтесь: электрон, протон, нейтрон

Атомы - мельчайшие частицы вещества.
Если увеличить до размеров Земного шара яблоко средней величины, то атомы станут размером всего лишь с яблоко. Несмотря на столь малые размеры, атом состоит из еще более мелких физических частиц.
Со строением атома вы должны быть уже знакомы из школьного курса физики. И все-таки напомним, что в составе атома есть ядро и электроны, которые вращаются вокруг ядра так быстро, что становятся неразличимыми - образуют "электронное облако", или электронную оболочку атома.

Электроны принято обозначать так: e − . Электроны e − очень легкие, почти невесомые, но зато имеют отрицательный электрический заряд. Он равен −1. Электрический ток, которым все мы пользуемся - это поток электронов, бегущий в проводах.

Ядро атома , в котором сосредоточена почти вся его масса, состоит из частиц двух сортов - нейтронов и протонов.

Нейтроны обозначают так: n 0 , а протоны так: p + .
По массе нейтроны и протоны почти одинаковы - 1,675 · 10 −24 г и 1,673 · 10 −24 г.
Правда, считать массу таких маленьких частиц в граммах очень неудобно, поэтому ее выражают в углеродных единицах , каждая из которых равна 1,673 · 10 −24 г.
Для каждой частицы получают относительную атомную массу , равную частному от деления массы атома (в граммах) на массу углеродной единицы. Относительные атомные массы протона и нейтрона равны 1, а вот заряд у протонов положительный и равен +1, в то время как у нейтронов заряда нет.

. Загадки про атом

Атом можно собрать "в уме" из частиц, как игрушку или машинку из деталей детского конструктора. Надо только при этом соблюдать два важных условия.

• Первое условие : каждому виду атомов соответствует свой собственный набор "деталей" - элементарных частиц . Например, в атоме водорода обязательно будет ядро с положительным зарядом +1, значит, в нем непременно должен быть один протон (и не больше).
  В атоме водорода могут быть и нейтроны. Об этом - в следующем параграфе .
  Атом кислорода (порядковый номер в Периодической системе равен 8) будет иметь ядро, заряженное восемью положительными зарядами (+8), - значит, там восемь протонов. Поскольку масса атома кислорода равна 16 относительных единиц, чтобы получить ядро кислорода, добавим еще 8 нейтронов.
• Второе условие состоит в том, чтобы каждый атом оказался электронейтральным . Для этого в нем должно быть электронов столько, чтобы уравновесить заряд ядра. Иначе говоря, число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре, а также порядковому номеру этого элемента в Периодической системе .

Размеры и массы атомов малы. Радиус атомов составляет 10 -10 м, а радиус ядра – 10 -15 м. Масса атома определяется делением массы одного моль атомов элемента на число атомов в 1 моль (N A = 6,02·10 23 моль -1). Масса атомов изменяется в пределах 10 -27 ~ 10 -25 кг. Обычно массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За а.е.м. принята 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С.

Основными характеристиками атома являются заряд его ядра (Z) и массовое число (А). Число электронов в атоме равно заряду его ядра. Свойства атомов определяются зарядом их ядер, числом электронов и их состоянием в атоме.

Основные свойства и строение ядра (теория состава атомных ядер)

1. Ядра атомов всех элементов (за исключением водорода) состоят из протонов и нейтронов.

2.Число протонов в ядре определяет значение его положительного заряда (Z). Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева.

3. Суммарное число протонов и нейтронов - значение его массы, так как масса атома в основном сосредоточена в ядре (99, 97% массы атома). Ядерные частицы - протоны и нейтроны - объединяются под общим названием нуклоны (от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Общее число нуклонов соответствует - массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А.

Ядра с одинаковыми Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z , называются изобарами . Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов

4. Число нейтронов в ядре N может быть найдено по разности между массовым числом (А ) и порядковым номером (Z ):

5. Размер ядра характеризуется радиусом ядра , имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с порядковым номером и атомной массой.

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W св- величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная

называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.

Удельной энергией связи ядра w свназывается энергия связи, приходящаяся на один нуклон: w св= . Величина w свсоставляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.

Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров. (А = const).

Ядерные силы

1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы , не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).

2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 мназывается радиусом действия ядерных сил .

3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость : притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов - протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах . Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия тяжелого водорода трития - .

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел (А). Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.

Радиоактивность, g -излучение, a и b - распад

1. Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер или жесткого рентгеновского излучения. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

2. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения - жесткого, коротковолнового электроволнового излучения. Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским ; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона.

3. Альфа-распадом называется испускание ядрами некоторых химических элементов a - частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А >200 и зарядами ядер Z >82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов, т.е. образуется атом элемента, смещенного в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеева (ПСЭ) на две клеточки влево от исходного радиоактивного элемента с массовым числом меньшим не 4 единицы (правило Содди – Фаянса):

4. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (b-) и позитронный (b+) распады, а также электронный захват .

b- распад происходит преимущественно у сравнительно богатых нейтронами ядер. При этом нейтрон ядра распадается на протон, электрон и антинейтрино () с нулевым зарядом и массой.

При b- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд увеличивается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку вправо от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):

b+- распад происходит преимущественно у относительно богатых протонами ядер. При этом протон ядра распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино ().

.

При b+- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд уменьшается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку влево от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):

5. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b±-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

6. b--распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности.

7. g- излучение: при возбуждении ядро атома испускает электромагнитное излучение с малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой жесткостью и проникающей способностью, чем рентгеновское излучение. В результате энергия ядра уменьшается, а массовое число и заряд ядра остаются не низменными. Поэтому превращение химического элемента в другой не наблюдается, а ядро атома переходит в менее возбужденное состояние.