Нуклоны — это общее название для двух типов частиц, входящих в состав атомного ядра: протонов и нейтронов. Оба они относятся к классу фермионов, обладают полуцелым спином (½) и подчиняются статистике Ферми — Дирака. Эти частицы составляют основную массу атома и являются основными носителями ядерных сил. Хотя протоны и нейтроны тесно связаны, они обладают рядом отличий, в первую очередь по электрическому заряду и стабильности в свободном состоянии.
| Свойство | Протон | Нейтрон |
|---|---|---|
| Масса (в MeВ/с²) | 938.272 | 939.565 |
| Заряд (в единицах e) | +1 | 0 |
| Спин | ½ | ½ |
| Стабильность | Стабильный | Нестабильный (жизнь ~ 880 с) |
| Магнитный момент | +2.793 ядерных магнетона | −1.913 ядерных магнетона |
| Кварковый состав | uud | udd |
Согласно квантовой хромодинамике (КХД), протоны и нейтроны являются барионами — частицами, состоящими из трёх кварков.
Внутри нуклона кварки связаны с помощью глюонов — бозонов, переносящих сильное взаимодействие. Эта связь невероятно прочная и удерживает кварки на расстояниях порядка 10⁻¹⁵ м. Сила взаимодействия увеличивается с ростом расстояния между кварками, что исключает возможность наблюдения свободного кварка (явление конфайнмента).
Протон обладает положительным зарядом, который определяет электрическую структуру атома, а также его взаимодействие с другими заряженными частицами. Нейтрон, несмотря на отсутствие суммарного заряда, имеет внутреннюю структуру, формирующую ненулевой магнитный момент. Это объясняется наличием движущихся внутри него заряженных кварков. Благодаря этому нейтрон участвует в магнитных взаимодействиях и играет важную роль в ядерной магнитной резонансной спектроскопии.
Массы протона и нейтрона очень близки, но нейтрон немного тяжелее. Разница в массе составляет примерно 1.3 MeВ/с². Это обстоятельство имеет важные физические последствия:
Внутри ядер нейтроны могут быть стабильными.
Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино по схеме β⁻-распада:
n → p + e⁻ + ν̄ₑ
Протон в свободном состоянии стабилен — зафиксированы только гипотетические предсказания его распада в рамках теорий Великого объединения, однако экспериментальных подтверждений этому пока нет.
Нуклоны являются носителями ядерного взаимодействия, или сильного взаимодействия короткого радиуса действия, которое обеспечивает связность атомных ядер. Сильное взаимодействие не зависит от электрического заряда и действует одинаково между всеми нуклонами: p–p, n–n, p–n. Основные особенности:
Особенно важную роль играет взаимодействие протон–нейтрон, которое отвечает за устойчивость многих лёгких и средних ядер. При избытке нейтронов или протонов в ядре возникают нестабильные изотопы, подверженные радиоактивному распаду.
В рамках ядерной физики удобно рассматривать протоны и нейтроны как два состояния одной и той же частицы — нуклона, отличающиеся проекцией изоспина:
Изоспиновая симметрия — мощный инструмент в описании ядерных реакций и уровней энергии ядер, особенно в легких ядрах. Она нарушается электромагнитным взаимодействием и разницей масс нуклонов.
Нуклоны участвуют во всех типах ядерных процессов:
Деление — расщепление тяжёлого ядра с образованием дочерних нуклонов.
Слияние — объединение лёгких ядер, в результате чего образуется более тяжёлое ядро с участием протонов и нейтронов.
Бета-распад — преобразование одного нуклона в другой:
Изменения количества нуклонов или их соотношения внутри ядра приводят к изменению его стабильности, что лежит в основе радиоактивности и ядерной энергетики.
Свободный нейтрон нестабилен: его среднее время жизни составляет около 880 секунд. Распад сопровождается испусканием электрона и антинейтрино. Эта особенность используется:
Внутри ядер, особенно в чётно-чётных ядрах, нейтроны могут быть стабилизированы за счёт энергетического баланса и ядерных сил.
В звёздной эволюции нуклоны играют ключевую роль:
В условиях сверхвысоких энергий (например, в коллапсе сверхновой) происходит нейтронизация вещества, что меняет соотношение между протонами и нейтронами.
Также активно используются методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и магнитных моментов для анализа внутренней структуры и взаимодействий.
Нуклоны участвуют в слабых процессах, при которых возможно их взаимопревращение:
Эти процессы лежат в основе многих явлений, включая радиацию, термоядерный синтез и элементарные взаимодействия. Они подтверждают универсальность нуклонов как базовых единиц ядерной материи.