Нейтрон (элементарная частица)

Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта "Викизнание", помещена на этот сайт в целях защиты информации от вандалов, а затем дополнена на этом сайте.

Полевая теория элементарных частиц, действуя в рамках НАУКИ, опирается на проверенный ФИЗИКОЙ фундамент:

• Классическую электродинамику,
• Квантовую механику,
• Законы сохранения - фундаментальные законы физики.

В этом принципиальное отличие научного подхода, использованного полевой теорией элементарных частиц - подлинная теория должна строго действовать в рамках законов природы: в этом и заключается НАУКА.

Использовать не существующие в природе элементарные частицы, выдумывать не существующие в природе фундаментальные взаимодействия, или подменять существующие в природе взаимодействия сказочными, игнорировать законы природы, занимаясь математическими манипуляциями над ними (создавая видимость науки) - это удел СКАЗОК, выдаваемых за науку . В итоге физика скатывалась в мир математических сказок.

1 Радиус нейтрона
2 Магнитный момент нейтрона
3 Электрическое поле нейтрона
4 Масса покоя нейтрона
5 Время жизни нейтрона
6 Новая физика: Нейтрон (элементарная частица) - итог

Нейтрон - элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) - группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +0 (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

Согласно полевой теории элементарных частиц (теории - построенной на научном фундаменте и единственной получившей правильный спектр всех элементарных частиц), нейтрон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей. Все голословные утверждения Стандартной модели о том, что нейтрон якобы состоит из кварков, не имеют ничего общего с действительностью . - Физика экспериментально доказала, что нейтрон обладает электромагнитными полями (нулевая величина суммарного электрического заряда, еще не означает отсутствие дипольного электрического поля, что косвенно вынуждена была признать даже Стандартная модель, введя электрические заряды у элементов структуры нейтрона), и еще гравитационным полем. О том, что элементарные частицы не просто обладают - а состоят из электромагнитных полей, физика гениально догадалась еще 100 лет назад, но вот построить теорию никак не удавалось до 2010 года. Теперь в 2015 году появилась еще и теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и получившая уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отличные от уравнений гравитации, на основании которых была построена не одна математическая сказка в физике.

Структура электромагнитного поля нейтрона (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле).

Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):

• постоянное электрическое поле (E) - 0,18%,
• постоянное магнитное поле (H) - 4,04%,
• переменное электромагнитное поле - 95,78%.

Наличие мощного постоянного магнитного поля объясняет обладание нейтроном ядерными силами. Структура нейтрона приведена на рисунке.

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон обладает дипольным электрическим полем.

1 Радиус нейтрона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) элементарной частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для нейтрона это будет 3,3518 ∙10 -16 м. К этому надо добавить еще толщину слоя электромагнитного поля 1,0978 ∙10 -16 м.

Тогда получится 4,4496 ∙10 -16 м. Таким образом, внешняя граница нейтрона должна находиться от центра на расстоянии более 4,4496 ∙10 -16 м. Получилась величина почти равная радиусу протона и это не удивительно. Радиус элементарной частицы определяется квантовым числом L и величиной массы покоя. У обеих частиц одинаковый набор квантовых чисел L и M L , а массы покоя незначительно отличаются.

2 Магнитный момент нейтрона

В противовес квантовой теории полевая теория элементарных частиц утверждает, что магнитные поля элементарных частиц не создаются спиновым вращение электрический зарядов, а существуют одновременно с постоянным электрическим полем как постоянная составляющая электромагнитного поля. Поэтому магнитные поля есть у всех элементарных частиц с квантовым числом L>0.

Полевая теория элементарных частиц не считает магнитный момент нейтрона аномальным - его величина определяется набором квантовых чисел в той степени, в какой квантовая механика работает в элементарной частице.

Так магнитный момент нейтрона создается током:

• (0) с магнитным моментом -1 eħ/m 0n c

Далее умножаем его на процент энергии переменного электромагнитного поля нейтрона разделенный, на 100 процентов, и переводим в ядерные магнетоны. При этом не следует забывать, что ядерные магнетоны учитывают массу протона (m 0p), а не нейтрона (m 0n), так что полученный результат надо умножить на отношение m 0p /m 0n . В итоге получим 1,91304.

3 Электрическое поле нейтрона

Несмотря на нулевой электрический заряд, согласно полевой теории элементарных частиц у нейтрона должно быть постоянное электрическое поле. У электромагнитного поля, из которого состоит нейтрон, имеется постоянная составляющая, а, следовательно, у нейтрона должны быть постоянное магнитное поле и постоянное электрическое поле. Поскольку электрический заряд равен нулю то постоянное электрическое поле будет дипольным. То есть у нейтрона должно быть постоянное электрическое поле аналогичное полю двух распределенных параллельных электрических зарядов равных по величине и противоположного знака. На больших расстояниях электрическое поле нейтрона будет практически незаметно из-за взаимной компенсации полей обоих знаков заряда. Но на расстояниях порядка радиуса нейтрона это поле будет оказывать существенное влияние на взаимодействия с другими элементарными частицами близких по размерам. Это, прежде всего, касается взаимодействия в атомных ядрах нейтрона с протоном и нейтрона с нейтроном. Для нейтрон - нейтронного взаимодействия это будут силы отталкивания при одинаковом направлении спинов и силы притяжения при противоположном направлении спинов. Для нейтрон - протонного взаимодействия знак силы зависит не только от ориентации спинов, но еще и от смещения между плоскостями вращения электромагнитных полей нейтрона и протона.
Итак, у нейтрона должно быть дипольное электрическое поле двух распределенных параллельных симметричных кольцевых электрических зарядов (+0.75e и -0.75e), среднего радиуса , расположенных на расстоянии

Электрический дипольный момент нейтрона (согласно полевой теории элементарных частиц) равен:

где ħ - постоянная Планка, L - главное квантовое число в полевой теории элементарных частиц, e - элементарный электрический заряд, m 0 - масса покоя нейтрона, m 0~ - масса покоя нейтрона, заключенная в переменном электромагнитном поле, c - скорость света, P - вектор электрического дипольного момента (перпендикулярен плоскости нейтрона, проходит через центр частицы и направлен в сторону положительного электрического заряда), s - среднее расстояние между зарядами, r e - электрический радиус элементарной частицы.

Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+2/3e=+0.666e и -2/3e=-0.666e) в нейтроне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая нейтральная элементарная частица, независимо от величины спина и... .

Потенциал электрического дипольного поля нейтрона в точке (А) (в ближней зоне 10s > r > s приблизительно), в системе СИ равен:

где θ - угол между вектором дипольного момента P и направлением на точку наблюдения А, r 0 - нормировочный параметр равный r 0 =0.8568Lħ/(m 0~ c), ε 0 - электрическая постоянная, r - расстояние от оси (вращения переменного электромагнитного поля) элементарной частицы до точки наблюдения А, h - расстояние от плоскости частицы (проходящей через ее центр) до точки наблюдения А, h e - средняя высота расположения электрического заряда в нейтральной элементарной частице (равна 0.5s), |...| - модуль числа, P n - величина вектора P n . (В системе СГС отсутствует множитель .)

Напряженность E электрического дипольного поля нейтрона (в ближней зоне 10s > r > s приблизительно), в системе СИ равна:

где n =r /|r| - единичный вектор из центра диполя в направлении точки наблюдения (А), точкой (∙) обозначено скалярное произведение, жирным шрифтом выделены вектора. (В системе СГС отсутствует множитель .)

Компоненты напряженности электрического дипольного поля нейтрона (в ближней зоне 10s>r>s приблизительно) продольная (| |) (вдоль радиус-вектора, проведенного от диполя в данную точку) и поперечная (_|_) в системе СИ:

Где θ - угол между направлением вектора дипольного момента P n и радиус-вектором в точку наблюдения (в системе СГС отсутствует множитель ).

Третья компонента напряженности электрического поля - ортогональная плоскости, в которой лежат вектор дипольного момента P n нейтрона и радиус-вектор, - всегда равна нулю.

Потенциальная энергия U взаимодействия электрического дипольного поля нейтрона (n) с электрическим дипольным полем другой нейтральной элементарной частицы (2) в точке (А) в дальней зоне (r>>s), в системе СИ равна:

где θ n2 - угол между векторами дипольных электрических моментов P n и P 2 , θ n - угол между вектором дипольного электрического момента P n и вектором r , θ 2 - угол между вектором дипольного электрического моментаP 2 и вектором r , r - вектор из центра дипольного электрического момента p n в центр дипольного электрического момента p 2 (в точку наблюдения А). (В системе СГС отсутствует множитель )

Нормировочный параметр r 0 вводится с целью уменьшения отклонения значения E, от рассчитанного с помощью классической электродинамики и интегрального исчисления в ближней зоне. Нормировка происходит в точке, лежащей в плоскости параллельной плоскости нейтрона, удаленной от центра нейтрона на расстояние (в плоскости частицы) и со смещением по высоте на h=ħ/2m 0~ c, где m 0~ - величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося нейтрона (для нейтрона m 0~ = 0.95784 m. Для каждого уравнения параметр r 0 рассчитывается самостоятельно. В качестве приблизительного значения можно взять полевой радиус:

Из всего вышесказанного следует, что электрическое дипольное поле нейтрона (о существовании которого в природе, физика 20 века и не догадывалась), согласно законам классической электродинамики, будет взаимодействовать с заряженными элементарными частицами .

4 Масса покоя нейтрона

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и нейтрона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:

где определенный интеграл берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, E - напряженность электрического поля, H - напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты электромагнитного поля: постоянное электрическое поле (которое у нейтрона есть), постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле. Эта маленькая, но очень емкая для физики формула, на основании которой получены уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отправит в утиль не одну сказочную "теорию" - поэтому ее возненавидят некоторые их авторы.

Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя нейтрона зависит от условий, в которых нейтрон находится . Так поместив нейтрон в постоянное внешнее электрическое поле (например, атомное ядро), мы повлияем на E 2 , что отразится на массе нейтрона и его стабильности. Аналогичная ситуация возникнет при помещении нейтрона в постоянное магнитное поле. Поэтому некоторые свойства нейтрона внутри атомного ядра, отличаются от тех же свойств свободного нейтрона в вакууме, вдали от полей.

5 Время жизни нейтрона

Установленное физикой время жизни 880 секунд соответствует свободному нейтрону.

Полевая теория элементарных частиц утверждает, что время жизни элементарной частицы зависит от условий, в которых она находится. Поместив нейтрон во внешнее поле (например, магнитное) мы изменяем энергию, содержащуюся в его электромагнитном поле. Можно выбрать направление внешнего поля так, чтобы внутренняя энергия нейтрона уменьшилась. В результате при распаде нейтрона выделится меньше энергии, что затруднит распад и увеличит время жизни элементарной частицы. Можно подобрать такую величину напряженности внешнего поля, что распад нейтрона будет требовать дополнительной энергии и, следовательно, нейтрон станет стабильным. Именно это наблюдается в атомных ядрах (например, дейтерия), в них магнитное поле соседних протонов не допускает распад нейтронов ядра. В прочем при внесении в ядро дополнительной энергии распады нейтронов вновь могут стать возможными.

6 Новая физика: Нейтрон (элементарная частица) - итог

Стандартная модель (опущенная в данной статье, но которая в 20 веке претендовала на истину) утверждает, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного "верхнего" (u) и двух "нижних" (d) кварков (предполагаемая кварковая структура нейтрона: udd). Поскольку наличие кварков в природе экспериментально не доказано, электрический заряд, равный по величине заряду гипотетических кварков в природе не обнаружен, а имеются лишь косвенные свидетельства, которые можно интерпретировать как наличие следов кварков в некоторых взаимодействиях элементарных частиц, но можно и интерпретировать иначе, то утверждение Стандартной модели, что нейтрон обладает кварковой структурой остается всего лишь бездоказательным предположением. Любая модель, в том числе и Стандартная вправе предположить любую структуру элементарных частиц включая нейтрона, но пока на ускорителях не будут обнаружены соответствующие частицы, из которых якобы состоит нейтрон, утверждение модели следует считать не доказанным.

Стандартная модель, описывая нейтрон, вводит не найденные в природе кварки с глюонами (глюоны тоже никто не нашел), не существующие в природе поля и взаимодействия и вступает в противоречие с законом сохранения энергии;

Полевая теория элементарных частиц (Новая физика) описывает нейтрон исходя из существующих в природе полей и взаимодействий в рамках, действующих в природе законов - в этом и заключается НАУКА.

Владимир Горунович

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.

Весь материальный мир, по данным современной физики, построен из трех элементарных частиц: протона, нейтрона и электрона. Кроме того, согласно данным науки, во вселенной существуют и другие «элементарные» частицы материи, одних названий которых явно больше нормы. При этом, функция этих других «элементарных частиц» в существовании и эволюции мироздания непонятна.

Рассмотрим иную интерпретацию элементарных частиц:

Существует только одна элементарная частица материи – протон. Все остальные «элементарные частицы», включая нейтрон и электрон, являются только производными от протона, и им в эволюции вселенной отводится весьма скромная роль. Рассмотрим, как образуются такие «элементарные частицы».

Строение элементарной частицы материи мы подробно рассмотрели в статье « «. Коротко об элементарной частице:

• Элементарная частица материи имеет форму вытянутой, в пространстве, нити.
• Элементарная частица способна к растяжению. В процессе растяжения плотность материи внутри элементарной частицы падает.
• Участок элементарной частицы, где плотность материи падает в два раза, мы назвали квантом материи .
• В процессе движения, элементарная частица непрерывно поглощает (сворачивает, ) энергию.
• Точка поглощения энергии(точка аннигиляции ) находится на острие вектора движения элементарной частицы.
• Точнее: на острие активного кванта материи.
• Поглощая энергию, элементарная частица непрерывно наращивает скорость своего поступательного движения.
• Элементарная частица материи представляет собой диполь. В котором силы притяжения сосредоточены в передней части (по ходу движения) частицы, а силы отталкивания — в задней части.

Свойство элементарной в пространстве теоретически означает возможность уменьшения плотности материи до нулевой отметки. А это, в свою очередь, означает возможность ее механического разрыва: место разрыва элементарной частицы материи можно представить как ее участок с нулевой плотностью материи.

В процессе аннигиляции (поглощения энергии) элементарная частица, сворачивая энергию, непрерывно увеличивает скорость своего поступательного движения в пространстве.

Эволюция галактики, в конце концов, приводит элементарные частицы материи к моменту, когда они становятся способны оказать разрывающее воздействие друг на друга. Элементарные частицы могут встретиться не на параллельных курсах, когда одна частица подходит к другой медленно и плавно, как корабль к причалу. Они могут встретиться в пространстве и на встречных траекториях. Тогда жесткое столкновение и, как следствие – разрыв элементарной частицы – почти неизбежно. Они могут попасть под очень мощную волну возмущения энергии, что также ведет к разрыву.

Что же могут представлять собой «обломки», образовавшиеся в результате разрыва элементарной частицы материи?

Рассмотрим случай, когда в результате стороннего воздействия, из элементарных частиц материи – атом дейтерия — распалась на протон и нейтрон.

Разрыв парной структуры происходит не в месте их соединения — . Разрывается одна из двух элементарных частиц парной структуры.

Протон и нейтрон отличаются друг от друга своим строением.

• Протон – это чуть укороченная (после разрыва) элементарная частица,
• нейтрон – структура, состоящая из одной полноценной элементарной частицы и «обрубка» — передней, легкой оконечности первой частицы.

Полноценная элементарная частица имеет полный набор — «N» квантов материи в своем составе. Протон имеет «N-n» квантов материи. Нейтрон же имеет «N+n» квантов.

Поведение протона ясно. Даже лишившись оконечных квантов материи, он продолжает активно энергию: плотность материи его нового оконечного кванта всегда соответствует условиям аннигиляции. Этот новый оконечный квант материи становится новой точкой аннигиляции. В общем, протон ведет себя, как положено. Свойства протонов хорошо описаны в любом учебнике физики. Только он станет чуть легче своего «полноценного» собрата – полноценной элементарной частицы материи.

Иначе ведет себя нейтрон. Рассмотрим сначала строение нейтрона. Именно его строение объясняет его «странности».

По сути, нейтрон состоит из двух частей. Первая часть – это полноценная элементарная частица материи с точкой аннигиляции в своей передней оконечности. Вторая часть – сильно укороченный, легкий «обрубок» первой элементарной частицы, оставшийся после разрыва двойной структуры, и также обладающий точкой аннигиляции. Эти две части соединены между собой точками аннигиляции. Таким образом, нейтрон имеет двойную точку аннигиляции.

Логика мышления подсказывает, что эти две разновесные части нейрона будут вести себя по-разному. Если первая часть, представляющая собой полновесную элементарную частицу, будет, как положено, аннигилировать свободную энергию и постепенно разгоняться в пространстве вселенной, то вторая, легковесная часть, начинает аннигилировать свободную энергию более высокими темпами.

Движение элементарной частицы материи в пространстве осуществляется благодаря : диффузирующая энергия тащит частицу, попавшую в ее потоки. Понятно, что чем менее массивна частица материи, тем легче потокам энергии тащить за собой эту частицу, тем выше скорость этой частицы. Понятно, что чем большее количество энергии одномоментно сворачивает активный квант, тем мощнее потоки диффузирующей энергии, тем легче этим потокам тащить за собой частицу. Получаем зависимость: Скорость поступательного движения частицы материи в пространстве пропорциональна массе материи ее активного кванта и обратно пропорциональна общей массе частицы материи :

Вторая, легковесная часть нейтрона имеет массу, многократно меньшую массы полновесной элементарной частицы материи. Но массы их активных квантов равны. То есть: они аннигилируют энергию одинаковыми темпами. Получаем: скорость поступательного движения второй части нейтрона будет стремиться быстро нарастать, и она начинает быстрее аннигилировать энергию. (Чтобы не вносить путаницу, будем называть вторую, легковесную, часть нейтрона электроном).

рисунок нейтрона

Резко повышающееся количество одномоментно аннигилируемой энергии электроном, пока он находится в составе нейтрона, ведет к инертности нейтрона. Электрон начинает аннигилировать больше энергии, чем его «сосед» — полноценная элементарная частица. Оторваться от общей точки аннигиляции нейтрона он пока не может: мешают мощные силы притяжения. В результате, электрон начинает «съедать» позади общей точки аннигиляции.

Одновременно, электрон начинает смещение относительно своего напарника и его сгущение свободной энергии попадает в зону действия точки аннигиляции своего соседа. Который немедленно начинает «съедать» это сгущение. Такое переключение электрона и полноценной частицы на «внутренние» ресурсы – сгущение свободной энергии позади точки аннигиляции – ведет к стремительному падению сил притяжения и отталкивания нейтрона.

Отрыв электрона от общей структуры нейтрона происходит в момент, когда смещение электрона относительно полновесной элементарной частицы станет достаточно большим, сила, стремящаяся разорвать путы притяжения двух точек аннигиляции, начинает превышать силу притяжения этих точек аннигиляции, и вторая, легкая часть нейтрона (электрон) быстро улетает прочь.

В результате, нейтрон распадается на две единицы: полноценную элементарную частицу — протон и легкую, укороченную часть элементарной частицы материи — электрон.

Согласно современным данным, структура одиночного нейтрона существует около пятнадцати минут. Далее он самопроизвольно распадается на протон и электрон. Эти пятнадцать минут – есть время смещения электрона относительно общей точки аннигиляции нейтрона и его борьбы за свою «свободу».

Подведем некоторые итоги:

• ПРОТОН – это полноценная элементарная частица материи, с одной точкой аннигиляции, либо тяжелая часть элементарной частицы материи, оставшаяся после отрыва от нее легких квантов.
• НЕЙТРОН — это двойная структура, имеющая две точки аннигиляции, и состоящая из элементарной частицы материи, и легкой, передней части другой элементарной частицы материи.
• ЭЛЕКТРОН – передняя часть элементарной частицы материи, имеющая одну точку аннигиляции, состоящая из легких квантов, образовавшаяся в результате разрыва элементарной частицы материи.
• Признаваемая наукой структура «протон — нейтрон» — есть АТОМ ДЕЙТЕРИЯ –структура из двух элементарных частиц, имеющая двойную точку аннигиляции.

Электрон не является самостоятельной элементарной частицей, вращающейся вокруг ядра атома.

Электрона, каким считает его наука, нет в составе атома.

И ядра атома, как такового, не существует в природе, как не существует и нейтрона в виде самостоятельной элементарной частицы материи.

И электрон, и нейтрон представляют собой производные от парной структуры из двух элементарных частиц, после ее разрыва на две неравные части в результате стороннего воздействия. В составе атома любого химического элемента протон и нейтрон представляют собой стандартную парную структуру — две полновесные элементарные частицы материи – два протона, объединенных точками аннигиляции .

В современной физике существует незыблемое положение, что протон и электрон имеют равные, но противоположные электрические заряды. Якобы в результате взаимодействия этих противоположных зарядов они притягиваются друг к другу. Довольно логичное объяснение. Оно верно отражает механизм явления, но совершенно неверно – его суть.

Элементарные частицы не имеют ни положительного, ни отрицательного «электрических» зарядов, как не существует особой формы материи в виде «электрического поля». Такое «электричество» — есть выдумка человека, вызванная его неспособностью объяснить существующее положение вещей.

«Электрическое» и электрона друг к другу на самом деле создается потоками энергии, направленными к их точкам аннигиляции, в результате их поступательного движения в пространстве вселенной. Когда они попадают в зону действия сил притяжения друг друга. Это действительно выглядит как взаимодействие равных по величине, но противоположных электрических зарядов.

«одноименных электрических зарядов», например: двух протонов или двух электронов также имеет другое объяснение. Отталкивание происходит, когда одна из частиц попадает в зону действия сил отталкивания другой частицы – то есть в зону сгущения энергии позади ее точки аннигиляции. Это мы рассмотрели в предыдущей статье.

Взаимодействие «протон – антипротон», «электрон – позитрон» также имеет другое объяснение. Под таким взаимодействием мы понимаем взаимодействие дух протонов или электронов, когда они движутся на встречных курсах. В этом случае, благодаря их взаимодействию только притяжением (отталкивания нет, поскольку зона отталкивания каждой из них находится позади них), происходит их жесткий контакт. В результате, вместо двух протонов (электронов) получаем совершенно другие «элементарные частицы», которые на самом деле являются производными от жесткого взаимодействия этих двух протонов (электронов).

Атомное строение веществ. Модель атома

Рассмотрим строение атома.

Нейтрона и электрона – как элементарных частиц материи — не существует. Это мы рассмотрели выше. Соответственно: не существует и никакого ядра атома и его электронной оболочки. Эта ошибка является мощным препятствием на пути дальнейшего исследования структуры материи.

Единственной элементарной частицей материи является только протон. Атом любого химического элемента состоит из парных структур из двух элементарных частиц материи (за исключением изотопов, где к парной структуре добавляются еще элементарные частицы).

Для наших дальнейших рассуждений необходимо рассмотреть понятие общей точки аннигиляции.

Элементарные частицы материи взаимодействуют между собой точками аннигиляции. Это взаимодействие ведет к образованию материальных структур: атомов, молекул, физических тел… Которые имеют общую точку аннигиляции атома, общую точку аннигиляции молекулы…

ОБЩАЯ ТОЧКА АННИГИЛЯЦИИ – есть объединение двух единичных точек аннигиляции элементарных частиц материи в общую точку аннигиляции парной структуры, или общих точек аннигиляции парных структур в общую точку аннигиляции атома химического элемента, или общих точек аннигиляции атомов химических элементов – в общую точку аннигиляции молекулы .

Главное здесь, что объединение из частиц материи выступает притяжением и отталкиванием как единый цельный объект. В конце концов, даже любое физическое тело можно представить как общую точку аннигиляции этого физического тела: это тело притягивает к себе другие физические тела как единый, цельный физический объект, как единая точка аннигиляции. В этом случае мы получаем гравитационные явления – притяжение между физическими телами.

В фазе цикла развития галактики, когда силы притяжения становятся достаточно большим, начинается объединение атомов дейтерия в структуры других атомов. Атомы химических элементов образуются последовательно, по мере повышения скорости поступательного движения элементарных частиц материи (читай: повышения скорости поступательного движения галактики в пространстве вселенной) путем присоединения к атому дейтерия новых парных структур из элементарных частиц материи.

Объединение происходит последовательно: в каждом новом атоме появляется по одной новой парной структуре из элементарных частиц материи (реже – по одиночной элементарной частице). Что дает нам объединение атомов дейтерия в структуру других атомов:

1. Появляется общая точка аннигиляции атома. Это означает, что взаимодействовать притяжением и отталкиванием со всеми остальными атомами и элементарными частицами наш атом будет как единая цельная структура.
2. Появляется пространство атома, внутри которого плотность свободной энергии будет многократно превышать плотность свободной энергии вне его пространства. Очень высокая плотность энергии позади единичной точки аннигиляции внутри пространства атома просто не будет успевать сильно падать: слишком малы расстояния между элементарными частицами. Средняя плотность свободной энергии во внутриатомном пространстве многократно превышает значение константы плотности свободной энергии пространства вселенной.

В построении атомов химических элементов, молекул химических веществ, физических тел, проявляется важнейший закон взаимодействия материальных частиц и тел:

Сила внутриядерных, химических, электрических, гравитационных связей зависит от расстояний между точками аннигиляции внутри атома, между общими точками аннигиляции атомов внутри молекул, между общими точками аннигиляции молекул внутри физических тел, между физическими телами. Чем меньше расстояние между общими точками аннигиляции, тем более мощные силы притяжения действуют между ними .

Понятно, что:

• Под внутриядерными связями мы имеем ввиду взаимодействия между элементарными частицами и между парными структурами внутри атомов.
• Под химическими связями мы имеем ввиду взаимодействия между атомами в структуре молекул.
• Под электрическими связями мы понимаем взаимодействия между молекулами в составе физических тел, жидкостей, газов.
• Под гравитационными связями мы имеем ввиду взаимодействия между физическими телами.

Образование второго химического элемента — атома гелия — происходит, когда галактика разгоняется в пространстве до достаточно высокой скорости.Когда силы притяжения двух атомов дейтерия достигнет большой величины, они сближаются на расстояния, позволяющие им соединиться в счетверенную структуру атома гелия.

Дальнейшее повышение скорости поступательного движения галактики ведет к образованию атомов последующих (согласно таблице Менделеева) химических элементов. При этом: генезису атомов каждого химического элемента соответствует своя, строго определенная скорость поступательного движения галактики в пространстве вселенной. Назовем ее стандартной скоростью образования атома химического элемента .

Атом гелия – второй после водорода атом, образовавшийся в галактике. Затем, по мере повышения скорости поступательного движения галактики, к атому гелия прорывается следующий атом дейтерия. Это означает, что скорость поступательного движения галактики достигла стандартной скорости образования атома лития. Затем она достигнет стандартной скорости образования атома бериллия, углерода…, и так далее, согласно таблице Менделеева.

модель атома

На приведенной схеме мы можем видеть, что:

1. Каждый период в составе атома представляет собой кольцо из парных структур.
2. Центр атома всегда занимает счетверенная структура атома гелия.
3. Все парные структуры одного периода расположены строго в одной плоскости.
4. Расстояния между периодами намного больше, чем расстояния между парными структурами внутри одного периода.

Разумеется, это весьма упрощенная схема, и она не отражает всех реальностей построения атомов. Например: каждая новая парная структура, присоединяясь к атому, смещает и остальные парные структуры того периода, к которому присоединяется.

Получаем принцип построения периода в виде кольца вокруг геометрического центра атома:

• структура периода строится в одной плоскости. Этому способствует общий вектор поступательного движения всех элементарных частиц галактики.
• парные структуры одного периода строятся вокруг геометрического центра атома на равном расстоянии.
• атом, вокруг которого строится новый период, ведет себя к этому новому периоду как единая целостная система.

Вот и получаем важнейшую закономерность построения атомов химических элементов:

ЗАКОНОМЕРНОСТЬ СТРОГО ОПРЕДЕЛЕННОГО КОЛИЧЕСТВА ПАРНЫХ СТРУКТУР: одновременно, на определенном расстоянии от геометрического центра общей точки аннигиляции атома может находиться только определенное количество парных структур из элементарных частиц материи.

То есть: во втором, третьем периодах таблицы Менделеева – по восемь элементов, в четвертом, пятом — по восемнадцать, в шестом, седьмом – по тридцать два. Увеличивающийся диаметр атома позволяет увеличиваться количеству парных структур в каждом последующем периоде.

Понятно, что эта закономерность определяет принцип периодичности построения атомов химических элементов, открытого еще Д.И. Менделеевым.

Каждый период внутри атома химического элемента ведет себя по отношению к нему как единая целостная система. Это определяется скачками расстояний между периодами: намного большими, чем расстояния между парными структурами внутри периода.

Атом с неполным периодом проявляет химическую активность в соответствии выше названной закономерности. Поскольку существует дисбаланс сил притяжения и отталкивания атома в пользу сил притяжения. Но с присоединением последней парной структуры дисбаланс исчезает, новый период приобретает форму правильного круга — становится единой, целостной, завершенной системой. А мы получаем атом инертного газа.

Важнейшей закономерностью построения структуры атома является: атом имеет плоско — каскадную структуру . Что-то наподобие люстры.

• парные структуры одного периода должны располагаться в одной плоскости, перпендикулярной вектору поступательного движения атома.
• в то же время периоды в атоме должны располагаться каскадом.

Это объясняет, почему во втором и третьем периодах (также как и в четвертом – пятом, шестом — седьмом) одинаковое количество парных структур (смотри рисунок ниже). Такая структура атома есть следствие распределения сил притяжения и отталкивания элементарной частицы: силы притяжения действуют в передней (по ходу движения) полусфере частицы, силы отталкивания – в задней полусфере .

В противном случае, сгущения свободной энергии позади точек аннигиляции одних парных структур попадают в зону притяжения точек аннигиляции других парных структур, и атом неминуемо развалится.

Ниже мы видим схематичное объемное изображения атома аргона

модель атома аргона

На нижеприведенном рисунке мы можем видеть «разрез», вид «сбоку» -двух периодов атома — второго и третьего:

Именно так должны быть отриентированы, относительно центра атома, парные структуры в периодах с равным количеством парных структур (второй — третий, четвертый — пятый, шастой — седьмой).

Количество энергии в сгущении позади точки аннигиляции элементарной частицы непрерывно растет. Это становится понятным из формулы:

E 1 ~m(C+W)/2

Е 2 ~m(C–W)/2

ΔE= Е 1 –Е 2 = m(C+W)/2 — m(C–W)/2

ΔE~W×m

где:

Е 1 – количество свободной энергии, сворачиваемой (поглощаемой) точкой аннигиляции с передней полусферы движения.

Е 2 — количество свободной энергии сворачиваемой (поглощаемой) точкой аннигиляции с задней полусферы движения.

ΔЕ – разница между количеством свободной энергии сворачиваемой (поглощаемой) с передней и задней полусфер движения элементарной частицы.

W – скорость движения элементарной частицы.

Здесь мы видим непрерывный рост массы сгущения энергии позади точки аннигиляции движущейся частицы, по мере повышения скорости ее поступательного движения.

В структуре атома это проявится в том, что плотность энергии позади структуры каждого последующего атома будет расти в геометрической прогрессии. Точки аннигиляции своей силой притяжения «железной хваткой» держат друг друга. В то же время, растущая сила отталкивания будет все больше отклонять друг от друга парные структуры атома. Вот и получаем плоско – каскадное построение атома.

Атом, по форме, должен напоминать форму чаши, где «дном» является структура атома гелия. А «краями» чаши является последний период. Места «изгибов чаши»: второй – третий, четвертый – пятый, шестой – седьмой периоды. Эти «изгибы» и позволяют образовывать разные периоды с равным количество парных структур

модель атома гелия

Именно плоско — каскадная структура атома и кольцевое расположение парных структур в нем, определяют периодичность и рядность построения периодической системы химических элементов Менделеева, периодичность проявления схожих химических свойств атомов одного ряда периодической таблицы.

Плоско — каскадная структура атома дает появление единого пространства атома с высокой плотностью свободной энергии.

• Все парные структуры атома ориентированы в направлении центра атома (вернее: в направлении точки, находящейся на геометрической оси атома, по направлению движения атома).
• Все индивидуальные точки аннигиляции располагаются по кольцам периодов внутри атома.
• Все индивидуальные сгущения свободной энергии расположены позади их точек аннигиляции.

Результат: единое сгущение свободной энергии высокой плотности, границы которого являются границами атома. Эти границы, как мы понимаем, есть границы действия сил, известных в науке как силы Юкавы.

Плоско-каскадная структура атома дает перераспределение зон сил притяжения и отталкивания определенным образом. Перераспределение зон сил притяжения и отталкивания мы наблюдаем уже у парной структуры:

Зона действия сил отталкивания парной структуры увеличивается за счет зоны действия сил ее притяжения (по сравнению с одиночными элементарными частицами). Зона действия сил притяжения соответственно уменьшается. (Уменьшается зона действия силы притяжения, но никак не сама сила). Плоско – каскадная структура атома дает нам еще большее увеличение зоны действия сил отталкивания атома.

• С каждым новым периодом, зона действия сил отталкивания стремится к форме полного шара.
• Зона действия сил притяжения будет представлять собой все более уменьшающийся в диаметре конус

В построении нового периода атома прослеживается еще одна закономерность: все парные структуры одного периода расположены строго симметрично относительно геометрического центра атома, независимо от количества парных структур в периоде .

Каждая новая парная структура, присоединяясь, меняет расположение всех остальных парных структур периода так, что расстояния между ними в периоде всегда равны друг другу. Эти расстояния уменьшаются с присоединением следующей парной структуры. Неполный внешний период атома химического элемента делает его химически активным.

Расстояния между периодами, намного большие, чем расстояния между парными частицами внутри периода, делают периоды относительно независимыми друг от друга.

Каждый период атома относится ко всем другим периодам и ко всему атому как независимая цельная структура.

Это определяет, что химическая активность атома почти на 100% определяется только последним периодом атома. Полностью заполненный последний период дает нам максимально заполненную зону сил отталкивания атома. Химическая активность атома почти нулевая. Атом, как мячик, отталкивает от себя другие атомы. Мы здесь видим газ. И не просто газ, а инертный газ.

Присоединение первой парной структуры нового периода меняет эту идиллическую картину. Распределение зон действия сил отталкивания и притяжения меняется в пользу сил притяжения. Атом становится химически активным. Это атом щелочного металла.

С присоединением каждой следующей парной структуры меняется баланс зон распределения сил притяжения и отталкивания атома: зона сил отталкивания усиливается, зона сил притяжения уменьшается. И каждый следующий атом становится чуть менее металлом и чуть более – неметаллом.

Плоско – каскадная форма атомов, перераспределение зон действия сил притяжения и отталкивания дает нам следующее: Атом химического элемента, встречаясь с другим атомом даже на встречных курсах, в обязательном порядке попадает в зону действия сил отталкивания этого атома. И не разрушается сам и не разрушает этот другой атом.

Все это приводит нас к замечательному результату: атомы химических элементов, вступая в соединения друг с другом, образуют объемные структуры молекул. В противовес плоско – каскадной структуре атомов . Молекула — есть устойчивая объемная структура из атомов.

Рассмотрим потоки энергии внутри атомов и молекул.

Прежде всего отметим, что элементарная частица будет поглощать энергию циклами. То есть: в первую половину цикла элементарная частица поглощает энергию из ближайшего пространства. Здесь образуется пустота – пространство без свободной энергии.

Во вторую половину цикла: энергии из более дальнего окружения немедленно станет заполнять образовавшуюся пустоту. То есть – в пространстве возникнут потоки энергии, направленные к точке аннигиляции. Частица получает положительный импульс поступательного движения. А связанная энергия внутри частицы начнет перераспределять свою плотность.

Что нам здесь интересно.

Поскольку цикл аннигиляции делится на две фазы: фазу поглощения энергии и фазу движения энергии (заполнение пустоты), то средняя скорость потоков энергии в районе точки аннигиляции уменьшится, грубо говоря – в два раза.

И, что чрезвычайно важно:

В построении атомов, молекул, физических тел проявляется очень важная закономерность: устойчивость всех материальных структур, как то: парных структур – атомов дейтерия, отдельных периодов вокруг атомов, атомов, молекул, физических тел обеспечивается строгой упорядоченностью процессов их аннигиляции .

Рассмотрим это.

1. Потоки энергии, создаваемые парной структурой. В парной структуре элементарные частицы аннигилируют энергию синхронно. В противном случае, элементарные частицы «съедали» бы сгущение энергии позади точки аннигиляции друг друга. Получаем четкие волновые характеристики парной структуры. Кроме того, напоминаем, что благодаря цикличности процессов аннигиляции, средняя скорость потоков энергии здесь падает в два раза.
2. Потоки энергии внутри атома. Принцип тот же: все парные структуры одного периода должны аннигилировать энергию синхронно – синхронными циклами. Точно также: процессы аннигиляции внутри атома должны быть синхронизированы между периодами. Любая асинхронность ведет к разрушению атома. Здесь синхронность может чуть меняться. Можно предположить, что периоды в атоме аннигилируют энергию последовательно, друг за другом, волной.
3. Потоки энергии внутри молекулы, физического тела. Расстояния между атомами в структуре молекулы многократно превышают расстояния между периодами внутри атома. Кроме того, молекула имеет объемную структуру. Точно также, как и любое физическое тело имеет объемную структуру. Понятно, что синхронность процессов аннигиляции здесь должна быть последовательная. Направленная от периферии к центру, или наоборот: от центра — к периферии — считайте как угодно.

Принцип синхронности дает нам ещё две закономерностьи:

• Скорость потоков энергии внутри атомов, молекул, физических тел значительно меньше константы скорости движения энергии в пространстве вселенной. Эта закономерность поможет нам понять (в статье №7) процессы электричества.
• Чем большую структуру мы видим (последовательно: элементарная частица, атом, молекула, физическое тело), тем большую длину волны в ее волновых характеристиках мы будем наблюдать. Это касается и физических тел: чем большеймассой обладает физическое тело, тем большей длиной волны оно обладает.

НЕЙТРОН (n) (от лат. neuter - ни тот, ни другой) - элементарная частица с нулевым электрич. зарядом и массой, незначительно большей массы протона. Наряду с протоном под общим назв. нуклон входит в состав атомных ядер. H. имеет спин 1 / 2 и, следовательно, подчиняется Ферми - Дирака статистике (является фермионом). Принадлежит к семейству адра-нов; обладает барионным числом B= 1, т. е. входит в группу барионов .

Открыт в 1932 Дж. Чедвиком (J. Chadwick), показавшим, что жёсткое проникающее излучение, возникающее при бомбардировке ядер бериллия a-частицами, состоит из электрически нейтральных частиц с массой, примерно равной протонной. В 1932 Д. Д. Иваненко и В. Гей-зенберг (W. Heisenberg) выдвинули гипотезу о том, что атомные ядра состоят из протонов и H. В отличие от заряж. частиц, H. легко проникает в ядра при любой энергии и с большой вероятностью вызывает ядерные реакции захвата (n,g), (n,a), (n, p), если баланс энергии в реакции положительный. Вероятность экзотермич. увеличивается при замедлении H. обратно пропорц. его скорости. Увеличение вероятности реакций захвата H. при их замедлении в водородсодержащих средах было обнаружено Э. Ферми (E. Fermi) с сотрудниками в 1934. Способность H. вызывать деление тяжёлых ядер, открытая О. Ганом (О. Hahn) и Ф. Штрасманом (F. Strassman) в 1938 (см. Деление ядер) , послужила основой для создания ядерного оружия и . Своеобразие взаимодействия с веществом медленных H., имеющих де-бройлевскую длину волны порядка атомных расстояний (резонансные эффекты, дифракция и т. д.), служит основой широкого использования нейтронных пучков в физике твёрдого тела. (Классификацию H. по энергиям - быстрые, медленные, тепловые, холодные, ультрахолодные - см. в ст. Нейтронная физика .)

В свободном состоянии H. нестабилен - испытывает B-распад; n p + е - + v e ; его время жизни t n = = 898(14) с, граничная энергия спектра электронов 782 кэВ (см. Бета-распад нейтрона) . В связанном состоянии в составе стабильных ядер H. стабилен (по эксперим. оценкам, его время жизни превышает 10 32 лет). По астр. оценкам, 15% видимого вещества Вселенной представлено H., входящими в состав ядер 4 He. H. является осн. компонентой нейтронных звёзд . Свободные H. в природе образуются в ядерных реакциях, вызываемых a-частицами радиоактивного распада, космическими лучами и в результате спонтанного либо вынужденного деления тяжёлых ядер. Искусств. источниками H. служат ядерные реакторы, ядерные взрывы , ускорители протонов (на ср. энергии) и электронов с мишенями из тяжёлых элементов. Источниками монохроматичных пучков H. с энергией 14 МэВ являются низкоэнергетич. ускорители дейтронов с тритиевой или литиевой мишенью, а в будущем интенсивными источниками таких H. могут оказаться термоядерные установки УТС. (См. .)

Основные характеристики H .

Масса H. т п = 939,5731(27) МэВ/с 2 = = 1,008664967(34) ат. ед. массы 1,675 . 10 -24 г. Разность масс H. и протона измерена с наиб. точностью из энергетич. баланса реакции захвата H. протоном: n + p d + g (энергия g-кванта = 2,22 МэВ), m n - m p = 1,293323 (16) МэВ/с 2 .

Электрический заряд H. Q n = 0. Наиболее точные прямые измерения Q n выполнены по отклонению пучков холодных либо ультрахолодных H. в электростатич. поле: Q n <= 3·10 -21 е (е - заряд электрона). Косв. данные по электрич. нейтральности мак-роскопич. кол-ва газа дают Q n <= 2·10 -22 е .

Спин H. J = 1 / 2 был определён из прямых опытов по расщеплению пучка H. в неоднородном магн. поле на две компоненты [в общем случае число компонент равно (2J + 1)].

Последоват. описание структуры адронов на основе совр. теории сильного взаимодействия - квантовой хромодинамики - пока встречает теоретич. трудности, однако для мн. задач вполне удовлетворит. результаты даёт описание взаимодействия нуклонов, представляемых как элементарные объекты, посредством обмена мезонами. Эксперим. исследование пространств. структуры H. выполняется с помощью рассеяния высокоэнергичных лептонов (электронов, мюонов, нейтрино, рассматриваемых в совр. теории как точечные частицы) на дейтронах. Вклад рассеяния на протоне измеряется в отд. эксперименте и может быть вычтен с помощью определ. вычислит. процедуры.

Упругое и квазиупругое (с расщеплением дейтрона) рассеяние электронов на дейтроне позволяет найти распределение плотности электрич. заряда и магн. момента H. (формфактор H.). Согласно эксперименту, распределение плотности магн. момента H. с точностью порядка неск. процентов совпадает с распределением плотности электрич. заряда протона и имеет среднеквадратичный радиус ~0,8·10 -13 см (0,8 Ф). Магн. форм-фактор H. довольно хорошо описывается т. н. диполь-ной ф-лой G M n = m n (1 + q 2 /0,71) -2 , где q 2 - квадрат переданного импульса в единицах (ГэВ/с) 2 .

Более сложен вопрос о величине электрич. (зарядового) формфактора H. G E n . Из экспериментов по рассеянию на дейтроне можно сделать заключение, что G E n (q 2 ) <= 0,1 в интервале квадратов переданных импульсов (0-1) (ГэВ/с) 2 . При q 2 0 вследствие равенства нулю электрич. заряда H. G E n -> 0, однако экспериментально можно определить дG E n (q 2 )/дq 2 | q 2=0 . Эта величина наиб. точно находится из измерений длины рассеяния H. на электронной оболочке тяжёлых атомов. Осн. часть такого взаимодействия определяется магн. моментом H. Наиб. точные эксперименты дают длину ne-рассеяния а nе = -1,378(18) . 10 -16 см, что отличается от расчётной, определяемой магн. моментом H.: a nе = -1,468 . 10 -16 см. Разность этих значений даёт среднеквадратичный электрич. радиус H. <r 2 E n >= = 0,088(12) Фили дG E n (q 2)/дq 2 | q 2=0 = -0,02 F 2 . Эти циф-ры нельзя рассматривать как окончательные из-за большого разброса данных разл. экспериментов, превышающих приводимые ошибки.

Особенностью взаимодействия H. с большинством ядер является положит. длина рассеяния, что приводит к коэф. преломления < 1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. При скорости u < (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах (напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства (см. Нейтронная оптика ).

H. и слабое (электрослабое) взаимодействие . Важным источником сведений об электрослабом взаимодействии является b-распад свободного H. .На квар-ковом уровне этот процесс соответствует переходу . Обратный процесс взаимодействия электронного с протоном, , наз. обратным b-распадом. К этому же классу процессов относится электронный захват ,имеющий место в ядрах, ре - nv e .

Распад свободного H. с учётом кинематич. параметров описывается двумя константами - векторной G V , являющейся вследствие векторного тока сохранения универс. константой слабого взаимодействия, и аксиально-векторной G A , величина к-рой определяется динамикой сильно взаимодействующих компонент нуклона - кварков и глюонов. Волновые ф-ции начального H. и конечного протона и матричный элемент перехода n p благодаря изотопич. инвариантности вычисляются достаточно точно. Вследствие этого вычисление констант G V и G A из распада свободного H. (в отличие от вычислений из b-распада ядер) не связано с учётом ядерно-структурных факторов.

Время жизни H. без учёта нек-рых поправок равно: t n = k(G 2 V + 3G 2 A ) -1 , где k включает кинематич. факторы и зависящие от граничной энергии b-распада кулонов-ские поправки и радиационные поправки .

Вероятность распада поляризов. H. со спином S , энергиями и импульсами электрона и антинейтрино и р е, в общем виде описывается выражением:

Коэф. корреляции a, А, В, D могут быть представлены в виде ф-ции от параметра а = (G A /G V ,)exp(i f). Фаза f отлична от нуля или p, если T -инвариантность нарушена. В табл. приведены эксперим. значения для этих коэф. и вытекающие из них значения a и f.

Имеется заметное отличие данных разл. экспериментов для т n , достигающее неск. процентов.

Описание электрослабого взаимодействия с участием H. при более высоких энергиях гораздо сложнее из-за необходимости учитывать структуру нуклонов. Напр., m - -захват, m - p nv m , описывается по крайней мере удвоенным числом констант. H. испытывает также электрослабое взаимодействие с др. адронами без участия лептонов. К таким процессам относятся следующие.

1) Распады гиперонов L np 0 , S + np + , S - np - и т. д. Приведённая вероятность этих распадов в неск. раз меньше, чем у нестранных частиц, что описывается введением угла Кабиббо (см. Кабиббо угол ).

2) Слабое взаимодействие n - n или n - p, к-рое проявляется как ядерные силы, не сохраняющие пространств. чётность .Обычная величина обусловленных ими эффектов порядка 10 -6 -10 -7 .

Взаимодействие H. со средними и тяжёлыми ядрами имеет ряд особенностей, приводящих в нек-рых случаях к значит. усилению эффектов несохранения чётности в ядрах . Один из таких эффектов - относит. разность сечения поглощения H. с по направлению распространения и против него, к-рая в случае ядра 139 La равна 7% при = 1,33 эВ, соответствуют щей р -волновому нейтронному резонансу. Причиной усиления является сочетание малой энергетич. ширины состояний компаунд-ядра и большой плотности уровней с противоположной чётностью у этого компаунд-ядра, обеспечивающей на 2-3 порядка большее смешивание компонент с разной чётностью, чем у низко лежащих состояний ядер. В результате ряд эффектов: асимметрия испускания g-квантов относительно спина захватываемого поляризов. H. в реакции (n, g), асимметрия вылета заряж. частиц при распаде компаунд-состояний в реакции (n, р) или асимметрия вылета лёгкого (или тяжёлого) осколка деления в реакции (n, f ). Асимметрии имеют величину 10 -4 -10 -3 при энергии тепловых H. В р -волновых нейтронных резонансах реализуется дополнит. усиление, связанное с подавленностью вероятности образования сохраняющей чётность компоненты этого компаунд-состояния (из-за малой нейтронной ширины р -резонанса) по отношению к примесной компоненте с противоположной четностью, являющейся s -резонан-сом. Именно сочетание неск. факторов усиления позволяет крайне слабому эффекту проявляться с величиной, характерной для ядерного взаимодействия.

Взаимодействия с нарушением барионного числа . Теоретич. модели великого объединения и суперобъединения предсказывают нестабильность барионов - их распад в лептоны и мезоны. Эти распады могут быть заметны только для легчайших барионов - p и п, входящих в состав атомных ядер. Для взаимодействия с изменением барионного числа на 1, DB = 1, можно было бы ожидать превращения H. типа: n е + p - , или превращения с испусканием странных мезонов. Поиски такого рода процессов производились в экспериментах с применением подземных детекторов с массой в неск. тысяч тонн. На основании этих экспериментов можно сделать заключение, что время распада H. с нарушением барионного числа составляет более 10 32 лет.

Др. возможный тип взаимодействия с DВ = 2 может привести к явлению взаимопревращения H. и антинейтронов в вакууме, т. е. к осцилляции . В отсутствие внеш. полей или при их малой величине состояния H. и антинейтрона вырождены, поскольку массы их одинаковы, поэтому даже сверхслабое взаимодействие может их перемешивать. Критерием малости внеш. полей является малость энергии взаимодействия магн. момента H. с магн. полем (n и n ~ имеют противоположные по знаку магн. моменты) по сравнению с энергией, определяемой временем T наблюдения H. (согласно соотношению неопределённостей), D <=hT -1 . При наблюдении рождения антинейтронов в пучке H. от реактора или др. источника T есть время пролёта H. до детектора. Число антинейтронов в пучке растёт с ростом времени пролёта квадратично: /N n ~ ~ (T /t осц) 2 , где t осц - время осцилляции.

Прямые эксперименты по наблюдению рождения и в пучках холодных H. от высокопоточного реактора дают ограничение t осц > 10 7 с. В готовящихся экспериментах можно ожидать увеличения чувствительности до уровня t осц ~ 10 9 с. Ограничивающими обстоятельствами являются макс. интенсивность пучков H. и имитация явлений антинейтронов в детекторе космич. лучами.

Др. метод наблюдения осцилляции - наблюдение аннигиляции антинейтронов, к-рые могут образовываться в стабильных ядрах. При этом из-за большого отличия энергий взаимодействий возникающего антинейтрона в ядре от энергии связи H. эфф. время наблюдения становится ~ 10 -22 с, но большое число наблюдаемых ядер (~10 32) частично компенсирует уменьшение чувствительности по сравнению с экспериментом на пучках H. Из данных подземных экспериментов по поиску распада протона об отсутствии событий с энерговыделением ~2 ГэВ можно заключить с нек-рой неопределённостью, зависящей от незнания точного вида взаимодействия антинейтрона внутри ядра, что t осц > (1-3) . 10 7 с. Существ. повышение предела t осц в этих экспериментах затруднено фоном, обусловленным взаимодействием космич. нейтрино с ядрами в подземных детекторах.

Следует отметить, что поиски распада нуклона с DB = 1 и поиски -осцилляции являются независимыми экспериментами, т. к. вызываются принципиально разл. видами взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие H . Нейтрон - одна из немногих элементарных частиц, падение к-рой в гравитац. поле Земли можно наблюдать экспериментально. Прямое измерение для H. выполнено с точностью 0,3% и не отличается от макроскопического. Актуальным остаётся вопрос о соблюдении эквивалентности принципа (равенства инертной и гравитац. масс) для H. и протонов.

Самые точные эксперименты выполнены методом Эт-веша для тел, имеющих разные ср. значения отношения A/Z , где А - ат. номер, Z - заряд ядер (в ед. элементарного заряда е) . Из этих опытов следует одинаковость ускорения свободного падения для H. и протонов на уровне 2·10 -9 , а равенство гравитац. и инертной масс на уровне ~10 -12 .

Гравитац. ускорение и замедление широко используются в опытах с ультрахолодными H. Применение гравитац. рефрактометра для холодных и ультрахолодных H. позволяет с большой точностью измерить длины когерентного рассеяния H. на веществе.

H. в космологии и астрофизике

Согласно совр. представлениям, в модели Горячей Вселенной (см. Горячей Вселенной теория )образование барионов, в т. ч. протонов и H., происходит в первые минуты жизни Вселенной. В дальнейшем нек-рая часть H., не успевших распасться, захватывается протонами с образованием 4 He. Соотношение водорода и 4 He при этом составляет по массе 70% к 30%. При формировании звёзд и их эволюции происходит дальнейший нуклеосинтез , вплоть до ядер железа. Образование более тяжёлых ядер происходит в результате взрывов сверхновых с рождением нейтронных звёзд, создающих возможность последоват. захвата H. нуклидами. При этом комбинация т. н. s -процесса - медленного захвата H. с b-распадом между последовательными захватами и r -процесса - быстрого последоват. захвата при взрывах звёзд в осн. может объяснить наблюдаемую распространённость элементов в космич. объектах.

В первичной компоненте космич. лучей H. из-за своей нестабильности вероятно отсутствуют. H., образующиеся у поверхности Земли, диффундирующие в космич. пространство и распадающиеся там, по-видимому, вносят вклад в формирование электронной и протонной компоненты радиационных поясов Земли.

Лит.: Гуревич И. С., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергий, M., 1965; Александров Ю. А.,. Фундаментальные свойства нейтрона, 2 изд., M., 1982.

• 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.