Що таке нейтрон у фізиці: будова, властивості та використання

Що таке нейтрон? Таке питання найчастіше виникає у людей, які не займаються ядерною фізикою, адже під нейтроном у ній розуміють елементарну частинку, яка не має електричного заряду та має масу, що перевищує електронну у 1838,4 рази. Разом з протоном, маса якого трохи менше, ніж маса нейтрону, він є "цеглиною" атомного ядра. У фізиці елементарних частинок нейтрон і протон покладаються двома різними формами однієї частки – нуклону.

Будова нейтрону

Нейтрон є у складі ядер атомів кожному за хімічного елемента, виняток становить лише атом водню, ядро якого є один протон. Що таке нейтрон, яку будову він має? Хоча він і називається елементарною "цеглиною" ядра, але все ж таки має свою внутрішню структуру. Зокрема, він належить до сімейства баріонів і складається із трьох кварків, два з яких є кварками нижнього типу, а один – верхнього. Всі кварки мають дрібний електричний заряд: верхній заряджений позитивно (+2/3 від заряду електрона), а нижній - негативно (-1/3 електронного заряду). Саме тому нейтрон не має електричного заряду, адже він у складових його кварків просто компенсується. Тим не менш, магнітний момент нейтрону не дорівнює нулю.

У складі нейтрона, визначення якого було дано вище, кожен кварки з'єднаний з іншими за допомогою глюонового поля. Глюон є часткою, відповідальною за утворення ядерних сил.

Крім маси в кілограмах та атомних одиницях маси, в ядерній фізиці масу частки описують також у ГеВ (гігаелектронвольтах).Це стало можливим після відкриття Ейнштейном свого знаменитого рівняння E=mc 2 яке пов'язує енергію з масою. Що таке нейтрон у ГеВ? Це величина 0,0009396, яка трохи більша за аналогічну для протона (0,0009383).

Стабільність нейтрону та ядер атомів

Присутність нейтронів в атомних ядрах дуже важлива для їхньої стабільності та можливості існування самої атомної структури та речовини в цілому. Справа в тому, що протони, які також становлять атомне ядро, мають позитивний заряд. І зближення їх на близькі відстані вимагає витрат величезних енергій через кулонівське електричне відштовхування. Ядерні ж сили, що діють між нейтронами і протонами на 2-3 порядки сильніші за кулонівські. Тому вони здатні утримувати позитивно заряджені частинки на близьких відстанях. Ядерні взаємодії є короткодіючими і виявляють себе лише в межах розмірів ядра.

Формулу нейтронів використовують для знаходження їх кількості у ядрі. Вона виглядає так: кількість нейтронів = атомна маса елемента – атомний номер у таблиці Менделєєва.

Вільний нейтрон – це частка нестабільна. Середній час його життя становить 15 хвилин, після чого він розпадається три частинки:

Передумови відкриття нейтрону

Теоретичне існування нейтрона у фізиці було запропоновано ще 1920 року Ернестом Резерфордом, який намагався таким чином пояснити, чому атомні ядра не розвалюються через електромагнітне відштовхування протонів.

Ще раніше, в 1909 році в Німеччині, Боті і Беккері встановили, що якщо альфа-частинками великих енергій від полонію опромінювати легкі елементи, наприклад, берилій, бор або літій, то утворюється випромінювання, яке проходить через будь-яку товщину різних матеріалів.Вони припустили, що це випромінювання гамма, однак жодне подібне випромінювання, відоме на той момент, не мало такої великої проникаючої здатності. Експерименти Боте і Беккера були інтерпретовані належним чином.

Відкриття нейтрону

Існування нейтрона було виявлено англійським фізиком Джеймсом Чедвіком у 1932 році. Він вивчав радіоактивне випромінювання берилію, провів серію експериментів, отримавши результати, які не збігалися з тими, що пророкували фізичні формули: енергія радіоактивного випромінювання набагато перевершувала теоретичні значення, також порушувався закон збереження імпульсу. Тому необхідно було прийняти одну з гіпотез:

Або момент імпульсу не зберігається при ядерних процесах.
Або радіоактивне випромінювання складається з частинок.

Перше припущення вчений відкинув, оскільки він суперечить фундаментальним фізичним законам, тому прийняв другу гіпотезу. Чедвік показав, що радіаційне випромінювання в його експериментах утворене частинками з нульовим зарядом, які мають сильну проникаючу здатність. Крім того, він зміг виміряти масу цих частинок, встановивши, що вона трохи більша за таку для протона.

Повільні та швидкі нейтрони

Залежно від енергії, яку має нейтрон, він називається повільним (порядку 0,01 МеВ) або швидким (порядку 1 МеВ). Така класифікація важлива, оскільки від швидкості нейтрону залежать його властивості. Зокрема, швидкі нейтрони добре захоплюються ядрами, призводячи до утворення їх ізотопів, і викликаючи їх поділ. Повільні нейтрони погано захоплюються ядрами практично всіх матеріалів, тому вони можуть безперешкодно проходити крізь товсті шари речовини.

Роль нейтрону в розподілі ядра урану

Якщо ставити питання, що таке нейтрон в ядерній енергетиці, то можна з упевненістю сказати, що це засіб індукування процесу поділу ядра урану, що супроводжується виділенням великої енергії. Під час цієї реакції розподілу також породжуються нейтрони різних швидкостей. У свою чергу, утворені нейтрони індукують розпад інших ядер урану, і реакція протікає ланцюговим чином.

Якщо реакція поділу урану буде неконтрольованою, це призведе до вибуху реакційного обсягу. Цей ефект використовується в ядерних бомбах. Контрольована реакція поділу урану є джерелом енергії в ядерних електростанціях.

Лікнеп RnD.CNews: все, що потрібно знати про нейтрони

Нейтрони - це субатомні частинки, що знаходяться всередині ядра кожного атома поряд із протонами. Це важливий інструмент для досліджень у різних наукових галузях.

Вчені виробляють нейтрони на дослідницьких реакторах та прискорювачах частинок, а також використовують їх для вивчення структури кристалів, матеріалів та рідин.

Нейтрони знаходяться в кожному атомі, але єдиним винятком є водень, ядро якого містить лише один протон. Нейтрони мають нейтральний електричний заряд (не негативний і позитивний) і трохи більшу масу, ніж позитивно заряджені протони.

"Вільні" нейтрони - це ті, які не укладені всередині ядра. У разі вони утворюються внаслідок ядерних процесів розподілу і синтезу.

У той час як кількість протонів визначає, яким елементом є атом, кількість нейтронів в ядрі може змінюватись - за їх кількістю розрізняють ізотопи елемента.Наприклад, звичайний водень містить один протон і не містить нейтронів, але ізотопи водню - дейтерій і тритій - мають один і два нейтрони відповідно поряд з протоном.

Нейтрони - складові частинки, і вони складаються із трьох менших елементарних частинок, званих кварками. Вони утримуються разом сильною взаємодією. Зокрема, нейтрон містить один «верхній» і два «нижні» кварки.

Деякі нейтрони взаємодіють безпосередньо з атомами у зразку і «відскакують» під різними кутами, як кулі, що стикаються під час гри в більярд. Цей метод називається розсіюванням нейтронів. Вчені використовують спеціальні високошвидкісні детектори для уловлювання розсіяних нейтронів та вимірювання їх енергії, швидкості та напряму. Отримана інформація допомагає розрахувати властивості матеріалів, такі як форма та розміри кристалів та молекул.

Нейтрони також можуть бути неруйнівним способом аналізу властивостей матеріалів, оскільки вони не ушкоджують матеріали під час випробувань, як інші методи. Понад те, у науці нейтрони використовувалися навіть вивчення археологічних артефактів. Ще нейтрони застосовували для судово-медичної експертизи волосся американського президента Закарі Тейлора, щоб довести, що він не був отруєний у 1850 році.

Після того, як Ернест Резерфорд відкрив у 1911 році, що атоми мають ядро, а через дев'ять років виявив, що атомні ядра, принаймні частково, складаються з протонів, було і відкриття нейтрона в 1932 році Джеймсом Чедвіком. 1935 року Чедвік отримав Нобелівську премію за своє відкриття.

Ідея про те, що в ядрі атома має бути ще щось, виникла через те, що кількість протонів не відповідала атомній масі атома.Наприклад, атом кисню містить 8 протонів, але має атомну масу 16, що дозволяє припустити, що містить 8 інших частинок. Однак ці частинки мають бути електрично нейтральними, оскільки атоми зазвичай не мають загального електричного заряду (негативний заряд електронів врівноважує позитивний заряд протонів).

Маса та заряд нейтронів

Нейтрони електрично нейтральні, тому вони не мають заряду. Їх маса в 1,008 рази більша за масу протона — іншими словами, вони приблизно на 0,1% важчі.

Нейтрони не «люблять» існувати самі собою поза ядром. Енергія ядерного зв'язку між ними та протонами в ядрі зберігає їх стабільність, але коли вони виявляються самі по собі, то піддаються бета-розпаду приблизно через 15 хвилин, перетворюючись на протон, електрон та антинейтрино.

Альберт Ейнштейн у своєму знаменитому рівнянні E = mc2 стверджував, що маса та енергія еквівалентні. Хоча маси нейтрону і протона лише трохи різняться, ця невелика різниця означає, що нейтрон має більшу масу і, отже, більшу енергію, ніж протон та електрон разом узяті. Ось чому при розпаді нейтрону утворюються протон та електрон.

Ізотопи та радіоактивність

Ізотоп – різновид елемента, в якому переважають нейтрони. Наприклад, ми вже згадували ізотопи водню дейтерій та тритій, які мають 1 та 2 додаткові нейтрони відповідно.

Деякі ізотопи стабільні, наприклад дейтерій. Інші нестабільні та неминуче піддаються радіоактивному розпаду. Тритій нестабільний - його період напіврозпаду (час, за який у середньому розпадається половина заданої кількості ізотопу) становить близько 12 років. Інші ізотопи розпадаються набагато швидше, за лічені хвилини, секунди або навіть частки секунди.

Нейтрони також є важливими інструментами в ядерних реакціях, зокрема при виклику ланцюгової реакції. Нейтрони, що поглинаються атомними ядрами, створюють нестабільні ізотопи, які потім зазнають ядерного поділу — розщеплення на два менші дочірні ядра інших елементів. Наприклад, коли уран-235 поглинає зайвий нейтрон, він стає нестабільним і розпадається на частини, вивільняючи при цьому енергію.

Нейтрони також відіграють важливу роль у створенні важких елементів у масивних зірках за допомогою механізму, відомого як r-процес (від англ. rapid - "швидкий"). Цей процес був вперше докладно описаний у 1957 році в удостоєній премії Нобелівської статті B²FH. У ній описувалося походження елементів у вигляді зоряного нуклеосинтезу.

Зірки, подібні до Сонця, можуть виробляти елементи кисню, азоту і вуглецю в результаті ядерних реакцій синтезу. Найбільш потужні зірки можуть продовжувати існувати і створювати оболонки з більш важких елементів до заліза-56 в ядрі зірки. В цей момент реакції вимагають, щоб для сплавлення елементів важче заліза в них вкладалося більше енергії, ніж та, що виробляється внаслідок цих реакцій. Тому ці реакції припиняються, як і виробництво енергії, і ядро зірки колапсує, викликаючи вибух. І саме під час неймовірно потужного вибуху наднової умови можуть стати достатньо екстремальними, щоб звільнити безліч вільних нейтронів за короткий проміжок часу.

При вибуху наднової атомні ядра здатні захопити всі ці вільні нейтрони до того, як всі вони розпадуться (ось чому процес описується як швидкий), щоб спровокувати r-процес нуклеосинтезу.Як тільки ядра заповняться нейтронами, вони стають нестабільними і піддаються бета-розпаду, а додаткові нейтрони перетворюються на протони. Додавання цих протонів змінює тип елемента, яким є ядро. Таким чином, ми спостерігаємо створення нових важких елементів, таких як золото, платина та інші дорогоцінні метали.

Тільки в найекстремальніших умовах нейтрони можуть вижити поза атомними ядерами. Так, нейтронні зірки - це об'єкти, що майже повністю складаються з нейтронів. Вони являють собою залишок від ядра зірки після того, як вона зазнала колапсу ядра і вибухнула як наднова. Вибух, можливо, забрав зовнішні шари зірки, але ядро, що стискається, залишилося недоторканим.

За відсутності ядерних реакцій, що виробляють енергію для протидії гравітації, маса ядра настільки велика, що воно піддається катастрофічному гравітаційному колапсу, при якому гравітаційний тиск досить великий, щоб протони та електрони могли подолати електростатичну силу між ними і зіткнутися один з одним, зливаючись у свого зворотний бета-розпад з утворенням нейтронів.

Майже всі атоми в ядрі перетворюються на нейтрони, тому називаємо результат нейтронної зіркою. Вони малі, всього 10-20 км у поперечному розрізі, але вміщують всю масу ядра мертвої зірки.

Найбільша масивна нейтронна зірка, яка коли-небудь була виявлена, має масу в 2,35 рази більше, ніж наше Сонце.

Кадр з анімації, що показує наслідки зіткнення двох нейтронних зірок, які злилися в об'єкт GW170817 (710)

Злиття подвійних нейтронних зірок, які виявляються астрофізиками як кілонові та їх гравітаційні хвилі, також є місцями рясного нуклеосинтезу r-процесу.Килонова двох подвійних зірок, що зливаються, випустили гравітаційно-хвильовий сплеск GW 170817, виробила важких елементів масою, що в 16 000 разів перевищує масу Землі, причому золота і платини було приблизно на десять мас Землі!

По суті, все навколо нас є слабким природним «фоном» з вільних нейтронів, створеним космічними променями, що входять у нашу атмосферу, і природною радіоактивністю земної кори.

Протони і нейтрони: стовпотвори всередині матерії

У центрі кожного атома знаходиться ядро, крихітний набір частинок під назвою протони та нейтрони. У цій статті ми вивчимо природу протонів та нейтронів, що складаються з частинок ще дрібнішими за розміром – кварків, глюонів та антикварків. (Глюони, як і фотони є античастинками самі собі). Кварки і глюони, наскільки нам відомо, можуть бути по-справжньому елементарними (неподільними і такими, що не складаються, дрібніші за розміром). Але до них згодом.

Як не дивно, у протонів та нейтронів маса майже однакова – з точністю до відсотка:

Оскільки вони такі схожі, і оскільки з цих частинок складаються ядра, протони і нейтрони часто називають нуклонами.

Протони ідентифікували та описали приблизно 1920 року (хоча відкриті вони були раніше; ядро атома водню – це просто окремий протон), а нейтрони знайшли десь 1933-го. Те, що протони і нейтрони такі схожі один на одного, зрозуміли майже відразу. Але те, що вони мають вимірний розмір, порівнянний із розміром ядра (приблизно в 100 000 разів менше атома по радіусу), не знали до 1954-го. Те, що вони складається з кварків, антикварків та глюонів, поступово розуміли з середини 1960-х до середини 1970-х.До кінця 70-х і початку 80-х наше розуміння протонів, нейтронів, і того, з чого вони складаються, здебільшого устаканилося, і відтоді залишається незмінним.

Нуклони описати набагато складніше, ніж атоми чи ядра. Не сказати, що атоми в принципі прості, але принаймні можна сказати, не роздумуючи, що атом гелію складається з двох електронів, що знаходяться на орбіті навколо крихітного ядра гелію; а ядро гелію – досить проста група з двох нейтронів та двох протонів. А ось із нуклонами все вже не так просто. Я вже писав у статті "Що таке протон, і що в нього всередині?", Атом схожий на елегантний менует, а нуклон - на дику вечірку.

Складність протона і нейтрона, зважаючи на все, справжні, і не випливають з неповних фізичних знань. У нас є рівняння, які використовуються для опису кварків, антикварків та глюонів, а також сильних ядерних взаємодій, що відбуваються між ними. Ці рівняння називаються КХД, від "квантової хромодинаміки". Точність рівнянь можна перевіряти різними способами, включаючи вимірювання кількості частинок, що з'являються на Великому адронному колайдері. Підставляючи рівняння КХД в комп'ютер і запускаючи обчислення властивостей протонів і нейтронів та інших подібних частинок (із загальною назвою «адрони»), ми отримуємо передбачення властивостей цих частинок, що добре наближаються до спостережень, зроблених у реальному світі. Тому ми маємо підстави вважати, що рівняння КХД не брешуть, і що наше знання протона і нейтрону ґрунтується на вірних рівняннях. Але просто мати правильні рівняння недостатньо, бо:

У простих рівнянь можуть виявитися дуже складні рішення,
Іноді неможливо описати складні рішення у простий спосіб.

Через внутрішню складність нуклонів вам, читачу, доведеться зробити вибір: як багато ви хочете дізнатися з приводу описаної складності? Неважливо, як далеко ви зайдете, задоволення це вам, швидше за все, не принесе: чим більше ви дізнаватиметеся, тим зрозуміліше вам ставатиме тема, але підсумкова відповідь залишиться тим самим – протон і нейтрон дуже складні. Я можу запропонувати вам три рівні розуміння зі збільшенням деталізації; Ви можете зупинитися після будь-якого рівня і перейти на інші теми, або можете занурюватися до останнього. Щодо кожного рівня виникають питання, відповіді на які можу частково дати в наступному, але нові відповіді викликають нові питання. У результаті – як я роблю у професійних обговореннях з колегами та просунутими студентами – я можу лише надіслати вас до даних отриманих у реальних експериментах, до різних впливових теоретичних аргументів, та комп'ютерних симуляцій.

Перший рівень розуміння

З чого складаються протони та нейтрони?

Мал. 1: надмірно спрощена версія протонів, що складаються тільки з двох верхніх кварків і одного нижнього, і нейтронів, що складаються тільки з двох нижніх кварків і одного верхнього

Щоб спростити справу, у багатьох книгах, статтях та на сайтах зазначено, що протони складаються з трьох кварків (двох верхніх та одне нижнього) та малюють щось на кшталт рис. 1. Нейтрон такий самий, що тільки складається з одного верхнього та двох нижніх кварків. Це просте зображення ілюструє те, у що вірили деякі вчені, переважно у 1960-х. Але незабаром стало зрозуміло, що ця точка зору надмірно спрощена настільки, що вже не є коректною.

З більш досвідчених джерел інформації ви дізнаєтеся, що протони складається з трьох кварків (двох верхніх та одного нижнього), які утримуються разом глюонами – і там може з'явитися картинка, схожа на рис. 2 де глюони намальовані у вигляді пружинок або ниток, що утримують кварки. Нейтрони такі самі, тільки з одним верхнім кварком і двома нижніми.

Мал. 2: покращення рис. 1 за рахунок акценту на важливій ролі сильної ядерної взаємодії, що утримує кварки в протоні

Не такий поганий спосіб опису нуклонів, оскільки він робить акцент на важливій ролі сильної ядерної взаємодії, що утримує кварки в протоні за рахунок глюонів (точно так само, як з електромагнітною взаємодією пов'язаний фотон, частка, з яких складається світло). Але це теж збиває з пантелику, оскільки насправді не пояснює, що таке глюони і що вони роблять.

Є причини рухатися далі і описувати речі так, як я робив в інших статтях: протон складається з трьох кварків (двох верхніх та одного нижнього), купи глюонів та гори пар кварк-антикварк (в основному це верхні та нижні кварки, але є й кілька дивних). Всі вони літають туди і сюди з дуже великою швидкістю (наближаючись до швидкості світла); весь цей набір утримується за допомогою сильної ядерної взаємодії. Я продемонстрував це на рис. 3. Нейтрони знову такі самі, але з одним верхнім і двома нижніми кварками; Кварк, що змінив належність, вказаний стрілкою.

Мал. 3: більш реалістичне, хоча все одно неідеальне зображення протонів та нейтронів

Ці кварки, антикварки і глюони не тільки шалено носяться туди-сюди, але і стикаються один з одним, і перетворюються один на одного через такі процеси, як анігіляція частинок (у якій кварк і антикварк одного типу перетворюються на два глюони, або навпаки) або поглинання та випромінювання глюону (в якому можуть зіткнутися кварк та глюон і породити кварк та два глюони, або навпаки).

Що у цих трьох описів загального:

Два верхні кварки та нижній кварк (плюс щось ще) біля протона.
Один верхній кварк і два нижні кварки (плюс ще щось) у нейтрона.
"Ще щось" у нейтронів збігається з "ще чимось" у протонів. Тобто у нуклонів «ще щось» однакове.
Невелика різниця в масі у протона та нейтрону з'являється через різницю мас нижнього кварка і верхнього кварка.

у верхніх кварків електричний заряд дорівнює 2/3 e (де e – заряд протона, -e – заряд електрона),
у нижніх кварків заряд дорівнює -1/3e,
у глюонів заряд 0,
у будь-якого кварку та відповідного йому антикварка загальний заряд дорівнює 0 (наприклад, у антинижнього кварка заряд +1/3e, так що у нижнього кварка та нижнього антикварка заряд буде –1/3 e +1/3 e = 0),

загальний електричний заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
загальний електричний заряд нейтрону 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

скільки «ще чогось» усередині нуклону,
що воно там робить,
звідки беруться маса та енергія маси (E = mc 2 , енергія, присутня там, навіть коли частка спочиває) нуклону.

Мал. 1 говорить про те, що кварки, по суті, є третиною нуклону - приблизно так, як протон або нейтрон представляють чверть ядра гелію або 1/12 ядра вуглецю.Якби цей малюнок був правдивий, кварки в нуклоні рухалися б відносно повільно (зі швидкостями набагато меншими за світлову) з відносно слабкими взаємодіями, що діють між ними (хоча і за наявності якоїсь потужної сили, яка утримує їх на місці). Маса кварку, верхнього і нижнього, становила б тоді близько 0,3 ГеВ/с 2 приблизно третину маси протона. Але це просте зображення і ідеї, що їм нав'язуються, просто невірні.

Мал. 3. дає зовсім інше уявлення про протон, як про казан частинок, що снують у ньому зі швидкостями, близькими до світловий. Ці частинки стикаються один з одним, і в цих зіткненнях деякі з них анігілюють, інші створюються на їх місці. Глюони немає маси, маси верхніх кварків становлять близько 0,004 ГеВ/с 2 , а нижніх – порядку 0,008 ГеВ/с 2 — у сотні разів менше протона. Звідки береться енергія маси протона, питання складне: частина її йде від енергії маси кварків і антикварків, частина - від енергії руху кварків, антикварків і глюонів, а частина (можливо, позитивна, можливо, негативна) з енергії, що зберігається в сильній ядерній взаємодії, утримує кварки, антикварки та глюони разом.

У певному сенсі рис. 2 намагається усунути різницю між рис. 1 та рис. 3. Він спрощує рис. 3 видаляючи безліч пар кварк-антикварк, які, в принципі, можна назвати ефемерними, оскільки вони постійно виникають і зникають, і не є необхідними. Але вона справляє враження того, що глюони в нуклонах є безпосередньою частиною сильної ядерної взаємодії, що утримує протони. І вона не пояснює, звідки береться маса протону.

У рис. 1 є інший недолік, крім вузьких рамок протону та нейтрону. Вона не пояснює деякі властивості інших адронів, наприклад, півонії та ро-мезону.Ті ж проблеми є і рис. 2.

Ці обмеження і призвели до того, що своїм студентам і на моєму сайті я даю картинку з рис. 3. Але хочу попередити, що і вона має безліч обмежень, які я розгляну пізніше.

Варто відзначити, що надзвичайну складність будови, яка має на увазі рис. 3, варто було очікувати від об'єкта, який утримує разом така потужна сила, як сильна ядерна взаємодія. І ще одне: три кварки (два верхні і один нижній у протона), що не є частиною групи пар кварків-антикварків, часто називають «валентними кварками», а пари кварків-антикварків – «морем кваркових пар». Така мова у багатьох випадках технічно зручна. Але він дає помилкове враження того, що якби ви змогли заглянути всередину протона, і подивилися на певний кварк, ви відразу змогли б сказати, чи є він частиною моря чи валентним. Цього зробити не можна, такого способу немає.

Маса протону та маса нейтрону

Оскільки маси протона і нейтрону так схожі, і оскільки протон і нейтрон відрізняються тільки заміною верхнього кварка нижнім, здається ймовірним, що їх маси забезпечуються тим самим способом, виходять з одного джерела, і їх різниця полягає в невеликій відмінності між верхнім і нижнім кварками . Але три наведені малюнки говорять про наявність трьох дуже різних поглядів на походження маси протона.

Мал. 1 говорить про те, що верхній і нижній кварки просто складають по 1/3 від маси протона і нейтрону: близько 0,313 ГеВ/с 2 або через енергію, необхідну для утримання кварків в протоні. І оскільки різниця між масами протона та нейтрону становить частку відсотка, різниця між масами верхнього та нижнього кварку теж має становити частку відсотка.

Мал. 2 менш зрозумілий.Яка частина маси протона існує завдяки глюона? Але, в принципі, з малюнка випливає, що більша частина маси протона все одно походить від маси кварків, як на рис.

3 відбиває більш тонкий підхід до того, як насправді з'являється маса протона (як ми можемо перевірити безпосередньо через комп'ютерні обчислення протона, і не безпосередньо з використанням інших математичних методів). 2, і виявляється не таким простим.

Щоб зрозуміти, як це працює, потрібно думати не в термінах маси m протона, але в термінах його енергії маси E = mc 2 енергії, пов'язаної з масою Концептуально правильним питанням буде не «звідки взялася маса протона m», після якого ви можете підрахувати E, помноживши m на c 2 а навпаки: «звідки береться енергія маси протона E», після якого можна підрахувати масу m, розділивши E на c2.

Корисно класифікувати внески в енергію маси протона за трьома групами:

А) Енергія маси (енергія спокою) кварків і антикварків, що містяться в ньому (глюони, безмасові частинки, ніякого вкладу не роблять).
Б) Енергія руху (кінетична енергія) кварків, антикварків та глюонів.
В) Енергія взаємодії (енергія зв'язку або потенційна енергія), що зберігається у сильній ядерній взаємодії (точніше, у глюонних полях), що утримують протон.

Рис. 3 говорить про те, що частинки всередині протона рухаються з великою швидкістю, і що в ньому повно безмасових глюонів, тому внесок Б) більший за А). часто негативно. Отже енергія маси протона (і нейтрона) переважно виходить із комбінації Б) і В), а А) вносить. малу частку.Тому маси протона і нейтрону з'являються в основному не через мас частинок, що містяться в них, а через енергій руху цих частинок і енергії їх взаємодії, пов'язаної з глюонними полями, що породжують сили, що утримують протон. У більшості інших знайомих нам систем баланс енергій розподілено по-іншому. Наприклад, в атомах і Сонячній системі домінує А), а Б) і В) виходять набагато менше, і можна порівняти за величиною.

Підбиваючи підсумки, зазначимо, що:

Мал. 1 передбачає, що енергія маси протона походить із вкладу А).
Мал. 2 передбачає, що важливі обидва внески А) і В), і трохи своєї частки вносить Б).
Мал. 3 передбачає, що важливі Б) та В), а внесок А) виявляється незначним.

Якщо рис. 3 не бреше, маси кварку і антикварка дуже малі. Які вони насправді? Маса верхнього кварку (як і антикварка) вбирається у 0,005 ГеВ/с 2 , що набагато менше, ніж 0,313 ГеВ/с 2 , що випливає з рис. 1. (Масу верхнього кварка важко виміряти, і це значення змінюється через тонкі ефекти, так що вона може виявитися набагато меншою, ніж 0,005 ГеВ/с 2 ). Маса нижнього кварку приблизно на 0,004 ГеВ/с 2 більша за масу верхнього. Це означає, що маса будь-якого кварку чи антикварка не перевищує одного відсотка маси протона.

Зверніть увагу, що це означає (суперечливо рис. 1), що відношення маси нижнього кварку до верхнього не наближається до одиниці! Маса нижнього кварку щонайменше вдвічі перевищує масу верхнього. Причина того, що маси нейтрону і протона такі схожі, не в тому, що схожі маси верхнього і нижнього кварків, а в тому, що маси верхнього і нижнього кварків дуже малі - і різниця між ними мала, по відношенню до мас протону і нейтрону.Згадайте, що для перетворення протона на нейтрон, вам потрібно просто замінити один з його верхніх кварків на нижній (рис. 3). Цієї заміни достатньо для того, щоб зробити нейтрон трохи важчим за протон, і поміняти його заряд з +е на 0.

До речі, той факт, що різні частинки всередині протона стикаються один з одним, і постійно з'являються і зникають, не впливає на речі, які ми обговорюємо – енергія зберігається в будь-якому зіткненні. Енергія маси та енергія руху кварків і глюонів може змінюватися, як і енергія їхньої взаємодії, але загальна енергія протона не змінюється, хоча все всередині нього постійно змінюється. Так що маса протона залишається постійною, незважаючи на його внутрішній вихор.

На цьому моменті можна зупинитися та ввібрати отриману інформацію. Вражаюче! Практично вся маса, що міститься у звичайній матерії, походить із маси нуклонів в атомах. І більшість цієї маси походить з хаосу, властивого протону і нейтрону – з енергії руху кварків, глюонів і антикварків в нуклонах, і з роботи сильних ядерних взаємодій, утримують нуклон у цілому стані. Так: наша планета, наші тіла, наше дихання є результатом такого тихого, і, донедавна, неймовірного стовпотворіння.

Як видобути Нейтроній