Частичка в протоне: Структура нуклона

Структура нуклона

14. Структура нуклона

    В 1911 г. Э. Резерфорд, анализируя результаты
экспериментов выполненных Гейгером и Марсденом по рассеянию α-частиц
на тонкой золотой фольге установил, что атом не является однородным и состоит из
массивного положительно заряженного ядра малого размера
R <10-12
см, окруженного отрицательно заряженными электронами. Метод рассеяния пробных
частиц для определения структуры микрообъемов, предложенный Резерфордом,
является универсальным, широко используется и в настоящее время. Современные
эксперименты отличаются от опытов Резерфорда в основном своими масштабами –
колоссальной энергией пробных частиц, получаемых на ускорителях, гигантскими
детекторами, насчитывающими десятки тысяч регистрирующих элементов. Как
известно, атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. До сих пор при
обсуждении процессов, происходящих в атомных ядрах, исходили из того, что и
протон, и нейтрон являются частицами, не имеющими внутренней структуры. Так ли
это на самом деле? Уменьшение длины волны пробной частицы меньше чем 10–13 см
открыло возможности изучения внутренней структуры протона и нейтрона. В 1970 г.
на ускорителе электронов с энергией 20 ГэВ, построенном в Стэнфорде, было
получено, что протон и нейтрон имеют размер ~ 0,8 фм и являются составными
частицами. Оказалось, что электроны сверхвысоких энергий рассеиваются на
протонах и нейтронах так, как никто не ожидал. Так же как в случае опытов
Резерфорда угловое распределение электронов удалось объяснить, если
предположить, что внутри протона имеются более мелкие образования. Фейман назвал
эти неизвестные точечные составные части протона и нейтрона, на которых
происходит рассеяние электронов «партонами».
Внутренняя структура протона зависит
от пространственного разрешения, определяемого длиной волны виртуального фотона λ
= h/q, где
q − импульс виртуального фотона.
Энергии современных ускорителей соответствуют разрешению ≈ 0.01 фм.
При таком разрешении видны отдель­ные составляющие протона – партоны.
    Результаты
исследований показали, что
нуклон это частица, состоящая
из трех валентных кварков,
виртуальных
морских кварков-антикварков и
глюонов.

  1. Внутри нуклона обнаружены
    точечные объекты – партоны, в которых сосредоточена вся масса (внутренняя
    энергия) нуклона. Размер партонов
    < 10–17 см.
  2. Заряженные партоны имеют все
    характеристики кварков –
    их спин
    1/2,
    а заряды в единицах
    е
    либо +2/3, либо –1/3.
  3. Нейтральные партоны, отождествляемые с глюонами, несут около
    половины внутреннего импульса (энергии) нуклона.
  4. Валентные кварки окружены испускаемыми и поглощаемыми ими
    виртуальными глюонами, реализующими межкварковое сильное взаимодействие.
    Глюоны рождают виртуальные кварк-антикварковые пары, аннигилирующие затем
    вновь в глюоны. Эти виртуальные пары образуют множество морских кварков.


Уменьшение длины волны виртуального фотона.

    Знание внутренней структуры нуклонов даёт информацию о природе сильных
взаимодействий, за счет которых протоны и нейтроны образуют атомные ядра. При
больших значениях длины волн виртуального фотона нуклон выглядит как некий кор,
окруженных облаком виртуальных π-мезонов,
Виртуальные π-мезоны
реализуют взаимодействие между нуклонами в атомном ядре. При уменьшении длины
волны, когда она становится сравнимой с разменом нуклона, проявляется кварковая
структура нуклона. Протон состоит из двух
u-кварков и одного
d-кварка. Нейтрон состоит из одного
u-кварков и двух
d-кварков. При ещё большем уменьшении длины волны
виртуального фотона видно, что на самом деле валентные кварки являются сложными
образованиями большого числа кварк-антикварковых пар связанных глюонами. Как
формируется трехкварковая структура нуклона из моря виртуальных
кварк-антикварковых пар является одной из фундаментальных проблем современной
физики.
    Распределения
электрического заряда и магнитного момента протона

<r2E>1/2p
= (0.86 + 0.01) Фм,
<r2M>1/2p
= (0. 86 + 0.06) Фм.


Распределение
электрического
заряда в нейтроне и протоне

Распределения
электрического заряда и магнитного момента нейтрона

<r2E>1/2n
= (0.10 + 0.01) Фм. <r2M>1/2n
= (0.89 + 0.07) Фм.

  • Размер протона ~0.8 Фм. Размер нейтрона приблизительно такой же.
  • Протон лишен четкой границы. Плотность заряда в протоне плавно убывает по
    закону

ρ(r) =
ρ(0)exp(-r/a),
где
ρ(0) = 3 е/Фм3,
a = 0.23 Фм.

  • Средний квадрат радиуса протона

  • Отличие величины <r2E>1/2n
    от нуля в случае нейтрона означает, что заряд нейтрона только после
    усреднения по всему объему нейтрона равен нулю.
  • В
    нейтроне центральная часть (r < 0.7 Фм) заряжена положительно, периферийная
    часть − отрицательно.
  • Распределения магнитных моментов протона и нейтрона совпадают.

    Данные о структуре нуклона свидетельствуют о том,
что нуклон имеет сложную внутреннюю структуру. По современным представле­ниям
он состоит из кварков, взаимодействующих посредством обмена квантами сильного
взаимодействия − глюонами.

Частица легче протона, 5 (пять) букв

Вопрос с кроссворда

Ответ на вопрос «Частица легче протона «, 5 (пять) букв:
мезон

Альтернативные вопросы в кроссвордах для слова мезон

Неустойчивая, самораспадающаяся элементарная частица (одна из разновидностей адронов)

Элементарная частица, переносчик ядерных сил

Одна из элементарных частиц

Элементраная частица

Неустойчивая элементаpная частица

Элементарная частица

Определение слова мезон в словарях

Новый толково-словообразовательный словарь русского языка, Т. Ф. Ефремова.

Значение слова в словаре Новый толково-словообразовательный словарь русского языка, Т. Ф. Ефремова.

м. Элементарная частица, масса которой больше массы электрона и меньше массы протона (в физике).

Википедия

Значение слова в словаре Википедия

Мезо́н — коммуна во Франции , находится в регионе Лангедок — Руссильон . Департамент коммуны — Од . Входит в состав кантона Тюшан . Округ коммуны — Нарбонна . Код INSEE коммуны 11213.

Примеры употребления слова мезон в литературе.

Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы, между которыми существует довольно много различий.

Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, в то время как мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.

Гелл-Манну удалось объяснить большое количество таких адронных паттернов, как описанные выше октеты и барионные десятки, приписав трем своим кваркам и их антикваркам соответствующие значения квантовых чисел и составляя из них различные сочетания для того, чтобы получить барионы и мезоны, квантовые числа которых складываются из квантовых чисел составляющих их кварков.

Ад, акаша, алкоголизм, Ангел, антивещество, антигравитация, антифотон, астения, астрология, атом, Армагеддон, аура, аутогенная тренировка, белая горячка, бессонница, бесстрастие, Бог, божественное, божественный путь, Буддизм, буддхи, будущее, будущее Вселенной, будущее Солнечной системы, вакуум, Великий обет, вещество, виртуальный, влияние на судьбу, внеземная цивилизация, Вселенная, всемирный потоп, воплощение, время, Высший Разум, Высшие Знания, галактика, геологические периоды, Гермес Трисмегист, гиперон, гипноз, головной мозг, гороскоп, гравитационные волны, гравитация, гуна, Дао, двойник, деперсонализация, дефект массы, демон, Дзэн-буддизм, добро зло, ДНК, Древние Знания, дрейф материков, Дух, душа, дхьяна, дьявол, Единая Теория Поля, жизнь, заболевания психики, зарождение жизни, звезда, земная жизнь, знание будущего, знания, зомби, зомбирование, изменение судьбы, измененные состояния сознания, измерение вещества, Изумрудная Скрижаль, иммунная система, инстинкт, интеллект, интуиция, искривление света, ис

Структурное различие между ними сводится к числу входящих в них протонов, нейтронов, мезонов и электронов, однако каждое очередное прибавление к системе пары протон-электрон резко меняет функциональные свойства всей совокупной единицы в целом и это является наглядным подтверждением регламентированности числа фн.

Теперь-то ему все тут предельно ясно, и он легко читает условные обозначения дебройлевской и комптоновской длины волны для мезонов и нуклонов.

Источник: библиотека Максима Мошкова

Что внутри протона? – EWT

Фон

Современное объяснение протона состоит в том, что он состоит из частиц, известных как кварки. В большинстве экспериментов было обнаружено, что протон имеет трех кварков, , хотя при столкновении частиц друг с другом при очень высоких энергиях было обнаружено и более экзотическое расположение пяти кварков.

Несмотря на мнение, что протон состоит из трех кварков, при захвате электрона и бета-распаде были сделаны следующие наблюдения:

  1. В атоме протон может захватить электрон и стать нейтроном
  2. Протон может распасться на нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино

 

 

Объяснение

Протон, вероятно, является составной частицей из четырех кварков и одного антикварка, называемого пентакварком, о чем свидетельствуют эксперименты с более высокими энергиями, проведенные в ЦЕРНе в 2015 году. кварки — это позитроны, как показано ниже. Эта модель соответствует результатам распада.

Протон

 

Почему эксперименты с ускорителями частиц показывают протоны как кварки?

Кварки никогда не бывают изолированными (кварковое удержание), поэтому невозможно точно определить структуру кварка. Вместо этого предполагается, что они являются фундаментальными частицами с высокоэнергетическими глюонами, связывающими кварки вместе с помощью сильного взаимодействия. Как было показано в разделе сильных сил, постоянная тонкой структуры (связанная с сильным взаимодействием) может быть получена из свойств электрона. В соответствии с законами теории энергетических волн электроны не будут отталкиваться, если их столкнуть вместе, чтобы они оказались внутри стоячих волн, и разместить их в узлах (где амплитуда равна нулю). Кинетическая энергия подталкивает электроны к этой точке и передается запасенной энергии (глюонам). Эту энергию трудно разрушить, и электроны никогда не разделяются, представляя собой высокоэнергетические частицы, которые в экспериментах не похожи на электроны.

Низкоэнергетические эксперименты – столкновения протонов

 

До недавнего времени было трудно представить структуру протона в виде электронов и позитронов, пока не был открыт пентакварк. Теперь…

Эксперименты при высоких энергиях – столкновения протонов

 

Как протон может создать нейтрон?

Сначала обратитесь к модели нейтрона со страницы нейтронов. Он содержит дополнительный электрон в центре нуклона, создавая нейтральный заряд, когда центральный позитрон и центральный электрон аннигилируют. Нейтрон может и — пустая оболочка нуклона без электрон-позитронных частиц в центре.

В процессе захвата электрона захватывается электрон на атомной орбитали. Это могло быть результатом столкновения с частицей высокой энергии (такой как нейтрино), выталкивающей электрон в центр, преодолевая силы отталкивания атома. Электрон в центре завершает картину нейтрона.

Процесс захвата электронов

 

Как нейтрон может создать протон?

В процессе, обратном захвату электрона, процесс бета-минус-распада требует энергии для вытеснения центрального электрона из нейтрона. Нейтрон в атомном ядре имеет дополнительные силы, удерживающие его на месте, поэтому он требует больше энергии, чем свободный нейтрон, который распадается примерно за 15 минут (исходя из вероятности удара солнечных нейтрино). Когда нейтрон становится протоном, электрон и нейтрино выбрасываются, что соответствует экспериментам.

Процесс бета-минус-распада

 

Как электроны могут быть кварками?

Электроны отталкиваются друг от друга из-за конструктивной волновой интерференции бегущих волн, в соответствии с Законом №4 Законов Теории. Но также согласуется с тем же законом то, что, когда электроны имеют достаточную энергию, чтобы быть вытолкнутыми внутрь своих структур стоячей волны, узел стоячей волны стабилен, поскольку это точка минимальной амплитуды. Прирост кинетической энергии представляет собой накопленную энергию, и теперь электрон выглядит как кварк.

Это уже доказано в экспериментах по столкновению электронов и позитронов. При высоких энергиях эти две частицы создают кварки! Не протоны или нейтроны, которые, как предполагается, состоят из кварков. Кроме того, недавние эксперименты показали, что в результате столкновений электронов могут образоваться четыре кварка, получившие название тетракварк. Это согласуется с тетраэдрическими кварками в предлагаемой протонной модели этой теории.

 

 

Видео – Что внутри протона?

Видео What’s in a Proton  ниже объясняет пентакварковую структуру протона и то, как она соответствует экспериментам на ускорителях частиц и результатам бета-распада.

 

 

 

Предыдущий: Что такое заряд?

Далее: Что такое свет?

4.

4: Свойства протонов, нейтронов и электронов

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    47470
    • Цели обучения
    • Описать расположение, заряды и массы трех основных субатомных частиц.
    • Определите количество протонов и электронов в атоме.
    • Определить единицу атомной массы (а.е.м.).

    Атомная теория Дальтона многое объяснила о материи, химических веществах и химических реакциях. Тем не менее, это было не совсем точно, потому что, вопреки тому, во что верил Дальтон, атомы на самом деле могут быть разбиты на более мелкие субъединицы или субатомные частицы. Мы очень подробно говорили об электроне, но нас интересуют еще две частицы: протоны и нейтроны. Мы уже знаем, что Дж. Дж. Томсон открыл отрицательно заряженную частицу, названную электрон . Резерфорд предположил, что эти электроны вращаются вокруг положительного ядра. В последующих экспериментах он обнаружил, что в ядре есть меньшая положительно заряженная частица, названная протоном . Существует также третья субатомная частица, известная как нейтрон.

    Электроны

    Электроны являются одним из трех основных типов частиц, из которых состоят атомы. В отличие от протонов и нейтронов, состоящих из более мелких и простых частиц, электроны — это фундаментальные частицы, не состоящие из более мелких частиц. Они относятся к типу фундаментальных частиц, называемых лептонами. Все лептоны имеют электрический заряд \(-1\) или \(0\). Электроны чрезвычайно малы. Масса электрона составляет всего около 1/2000 массы протона или нейтрона, поэтому электроны практически не вносят вклад в общую массу атома. Электроны имеют электрический заряд \(-1\), который равен, но противоположен заряду протона, который равен \(+1\). Все атомы имеют такое же количество электронов, как и протоны, поэтому положительные и отрицательные заряды «уравновешиваются», делая атомы электрически нейтральными.

    В отличие от протонов и нейтронов, которые находятся внутри ядра в центре атома, электроны находятся вне ядра. Поскольку противоположные электрические заряды притягиваются друг к другу, отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру. Эта сила притяжения заставляет электроны постоянно двигаться через пустое пространство вокруг ядра. Рисунок ниже представляет собой распространенный способ представления структуры атома. Он показывает электрон как частицу, вращающуюся вокруг ядра, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Однако это неправильная точка зрения, поскольку квантовая механика демонстрирует, что электроны более сложны.

    Рисунок \(\PageIndex{1}\): Электроны намного меньше, чем протоны или нейтроны. Если бы электрон имел массу пенни, то протон или нейтрон имели бы массу большого шара для боулинга!

    Протоны

    Протон — одна из трех основных частиц, составляющих атом. {-27}\) килограммов. Вместе с нейтронами они составляют практически всю массу атома. 9{-15}\) метров.

    Как вы могли уже догадаться из названия, нейтрон нейтрален. Другими словами, он не имеет никакого заряда и поэтому не притягивается и не отталкивается от других объектов. Нейтроны есть в каждом атоме (за одним исключением), и они связаны вместе с другими нейтронами и протонами в атомном ядре.

    Прежде чем двигаться дальше, мы должны обсудить, как различные типы субатомных частиц взаимодействуют друг с другом. Когда дело доходит до нейтронов, ответ очевиден. Поскольку нейтроны не притягиваются и не отталкиваются от объектов, они на самом деле не взаимодействуют с протонами или электронами (кроме того, что связываются с протонами в ядре).

    Несмотря на то, что электроны, протоны и нейтроны являются субатомными частицами всех типов, они не имеют одинакового размера. Когда вы сравниваете массы электронов, протонов и нейтронов, вы обнаружите, что электроны имеют чрезвычайно малую массу по сравнению с протонами или нейтронами. С другой стороны, массы протонов и нейтронов довольно схожи, хотя технически масса нейтрона немного больше массы протона. Поскольку протоны и нейтроны намного массивнее электронов, почти вся масса любого атома приходится на ядро, которое содержит все нейтроны и протоны.

    Таблица \(\PageIndex{1}\): свойства субатомных частиц
    Частица Символ Масса (а.е.м.) Относительная масса (протон = 1) Относительный заряд Местоположение
    протон р + 1 1 +1 внутри ядра
    электрон е − 5,45 × 10 −4 0,00055 −1 вне ядра
    нейтрон п 0 1 1 0 внутри ядра

    В таблице \(\PageIndex{1}\) указаны свойства и расположение электронов, протонов и нейтронов. В третьем столбце показаны массы трех субатомных частиц в «атомных единицах массы». Атомная единица массы (\(\text{аму}\)) определяется как одна двенадцатая часть массы атома углерода-12. Единицы атомной массы (\(\text{аму}\)) полезны, потому что, как вы можете видеть, масса протона и масса нейтрона почти точно равны \(1\) в этой системе единиц.

    Отрицательные и положительные заряды равной величины компенсируют друг друга. Это означает, что отрицательный заряд электрона идеально уравновешивает положительный заряд протона. Другими словами, нейтральный атом должен иметь ровно один электрон на каждый протон. Если нейтральный атом имеет 1 протон, он должен иметь 1 электрон. Если нейтральный атом имеет 2 протона, он должен иметь 2 электрона. Если нейтральный атом имеет 10 протонов, он должен иметь 10 электронов. Вы поняли идею. Чтобы быть нейтральным, атом должен иметь одинаковое количество электронов и протонов.

    Резюме

    • Электроны — это тип субатомных частиц с отрицательным зарядом.
    • Протоны — это тип субатомных частиц с положительным зарядом. Протоны связаны вместе в ядре атома в результате сильного ядерного взаимодействия.
    • Нейтроны — это тип субатомных частиц без заряда (они нейтральны). Как и протоны, нейтроны связаны с ядром атома в результате сильного ядерного взаимодействия.
    • Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, но они оба намного массивнее электрона (примерно в 2000 раз массивнее электрона).
    • Положительный заряд протона равен по величине отрицательному заряду электрона. В результате нейтральный атом должен иметь равное количество протонов и электронов.
    • Атомная единица массы (а.е.м.) – это единица массы, равная одной двенадцатой массы атома углерода-12

    ПОД ЛИЦЕНЗИЕЙ

    1. Наверх
      • Была ли эта статья полезной?
      1. Тип изделия
        Раздел или страница
        Лицензия
        СК-12
        Показать страницу TOC
        № на стр.