4.11. Нуклонный уровень организации материи

Примерно через 20 лет после того, как Резерфорд «разглядел» в недрах атома его ядро, был открыт нейтрон – частица, по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода – протон, но только без электрического заряда. Нейтрон оказался чрезвычайно удобен для зондирования внутренности ядер. Поскольку он электрически нейтрален, электрическое поле обстреливаемого ядра не отталкивает его, соответственно даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизиться к ядру на расстояния, при которых начинают проявляться ядерные силы.

Вскоре после вышеупомянутого открытия два физика-теоретика – немецкий Вернер Гейзенберг и советский Дмитрий Иваненко выдвинули гипотезу о том, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. На этом постулате базируется современный взгляд на строение атома. Протоны и нейтроны объединяются, словом нуклон. Протоны – это элементарные частицы, которые являются ядрами атомов легчайшего элемента – водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается Z (число нейтронов – N). Протон имеет положительный электрический заряд, по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду. Он примерно в 1836 раз тяжелее электрона. Протон состоит из двух и-кварков с зарядом Q = +2/3 и одного d-кварка с зарядом Q = –1/3, связанных глюонным полем. Он имеет конечные размеры порядка 10^–13 см, хотя его нельзя представить как твердый шарик, он скорее напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.

Электрический заряд нейтрона равен 0, масса его – примерно 940 МэВ. Нейтрон состоит из одного и-кварка и двух d-кварков. Эта частица устойчива только в составе стабильных атомных ядер, свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Период полураспада нейтрона (время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше времени вследствие сильного поглощения их ядрами. Как и протон, нейтрон участвует во всех видах взаимодействий, в том числе в электромагнитном: при общей нейтральности вследствие сложного внутреннего строения в нем существуют электрические токи.

В ядре нуклоны связаны силами особого рода – ядерными. Одна из характерных их особенностей – короткодействие: на расстояниях порядка 10^–15 м и меньше они превышают любые другие силы, вследствие чего нуклоны не разлетаются под действием электростатического отталкивания одноименно заряженных протонов. При больших расстояниях ядерные силы очень быстро уменьшаются до нуля.

Механизм действия ядерных сил основан на том же принципе, что и электромагнитных – на обмене взаимодействующих объектов виртуальными частицами.

Виртуальные частицы в квантовой теории – это частицы, которые имеют такие же квантовые числа (спин, электрический и барионный заряды и др.), как и соответствующие реальные частицы, но для которых не выполняется обычная связь между энергией, импульсом и массой.

Гипотезу кварков предложил в 1967 г. американский физик-теоретик М. Гелл-Ман (р. 1929). Кварк – частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом, составной элемент адронов. Это название было заимствовано М. Гелл-Маном в одном из фантастических романов и означает нечто пустяковое и странное.

Помимо спина кварки имеют еще две внутренние степени свободы – «аромат» и «цвет» (степень свободы – независимое возможное изменение состояния физической системы, обусловленное вариациями ее параметров). Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний, которые условно называют красным, синим и желтым (только для удобства – никакого отношения к оптическим свойствам это не имеет). В наблюдаемых адронах кварки скомбинированы таким образом, что возникающие состояния не несут цвета – являются «бесцветными». Ароматов известно пять и предполагается наличие шестого. Свойства кварков разных ароматов различны.

Обычное вещество состоит из легких и- и d-кварков, входящих в состав нуклонов ядер. Более тяжелые кварки создаются искусственно или наблюдаются в космических лучах. Здесь слова «создаются» и «наблюдаются» нельзя понимать буквально – ни один кварк не был зарегистрирован в свободном виде, их можно наблюдать только внутри адронов. При попытке выбить кварк из адрона происходит следующее: вылетающий кварк рождает на своем пути из вакуума пары кварк–антикварк, расположенные в порядке убывания скоростей. Один из медленных кварков занимает место исходного, а тот вместе с остальными рожденными кварками и антикварками образует адроны.