Nukleon - Nucleon

Ein Atomkern ist hier als kompaktes Bündel der beiden Nukleonenarten Protonen (rot) und Neutronen (blau) dargestellt. In diesem Bild sind die Protonen und Neutronen getrennt dargestellt, was beispielsweise in der Chemie üblich ist. Aber in einem echten Kern, wie ihn die moderne Kernphysik versteht , sind die Nukleonen teilweise delokalisiert und organisieren sich nach den Gesetzen der Quantenchromodynamik .

In Chemie und Physik ist ein Nukleon entweder ein Proton oder ein Neutron , betrachtet in seiner Rolle als Bestandteil eines Atomkerns . Die Anzahl der Nukleonen in einem Kern definiert ein Isotop ‚s Massenzahl (Nukleonenzahl) .

Bis in die 1960er Jahre wurden Nukleonen als Elementarteilchen angesehen , die nicht aus kleineren Teilen bestehen. Jetzt sind sie als zusammengesetzte Teilchen bekannt , die aus drei Quarks bestehen , die durch die starke Wechselwirkung miteinander verbunden sind . Die Wechselwirkung zwischen zwei oder mehreren Nukleonen wird als Internukleonenwechselwirkung oder Kernkraft bezeichnet , die letztlich auch durch die starke Wechselwirkung verursacht wird. (Vor der Entdeckung der Quarks bezeichnete der Begriff "starke Wechselwirkung" nur Internukleonenwechselwirkungen.)

Nukleonen sitzen an der Grenze, an der sich Teilchenphysik und Kernphysik überschneiden. Die Teilchenphysik, insbesondere die Quantenchromodynamik , liefert die grundlegenden Gleichungen, die die Eigenschaften von Quarks und der starken Wechselwirkung beschreiben. Diese Gleichungen beschreiben quantitativ, wie Quarks sich zu Protonen und Neutronen (und all den anderen Hadronen ) verbinden können. Wenn jedoch mehrere Nukleonen zu einem Atomkern ( Nuklid ) zusammengebaut werden, werden diese grundlegenden Gleichungen zu schwierig, direkt zu lösen (siehe Gitter-QCD ). Stattdessen werden Nuklide innerhalb der Kernphysik untersucht , die Nukleonen und ihre Wechselwirkungen durch Näherungen und Modelle wie das Kernschalenmodell untersucht . Diese Modelle können erfolgreich Nuklideigenschaften beschreiben, beispielsweise ob ein bestimmtes Nuklid radioaktiv zerfällt oder nicht .

Das Proton und das Neutron befinden sich in einem Schema von Kategorien, die gleichzeitig Fermionen , Hadronen und Baryonen sind . Das Proton trägt eine positive Nettoladung und das Neutron trägt eine Null - Nettoladung; die Masse des Protons ist nur etwa 0,13% geringer als die des Neutrons. Somit können sie als zwei Zustände desselben Nukleons angesehen werden und bilden zusammen ein Isospin- Dublett ( I = 1/2). Im Isospinraum können Neutronen in Protonen umgewandelt werden und umgekehrt durch SU(2) -Symmetrien. Auf diese Nukleonen wirkt die starke Wechselwirkung gleichermaßen ein, die unter Rotation im Isospinraum invariant ist. Nach dem Noether-Theorem ist der Isospin bezüglich der starken Wechselwirkung erhalten.

Überblick

Eigenschaften

Quarkzusammensetzung eines Nukleons
Proton
Proton (
P
):
du

du

D
Neutron
Neutron (
n
):
du

D

D
Antiproton
Antiproton (
P
):
du

du

D
Antineutron
Antineutron (
n
):
du

D

D
Ein Proton (p) besteht aus zwei up-Quarks (u) und einem down-Quark (d): uud. Ein Neutron (n) hat ein Up-Quark (u) und zwei Down-Quarks (d): udd. Ein Antiproton (
P
) hat zwei up- Antiquarks (
du
) und ein Antiquark (
D
):
du

du

D
. Ein Antineutron (
n
) hat ein Antiquark (
du
) und zwei Down-Antiquarks (
D
):
du

D

D
. Die Farbladung ( Farbzuordnung ) einzelner Quarks ist beliebig, jedoch müssen alle drei Farben (Rot, Grün, Blau) vorhanden sein.

Protonen und Neutronen sind am besten als Nukleonen bekannt, dh als Bestandteile von Atomkernen, aber sie existieren auch als freie Teilchen. Freie Neutronen sind mit einer Halbwertszeit von etwa 13 Minuten instabil, haben aber wichtige Anwendungen (siehe Neutronenstrahlung und Neutronenstreuung ). Protonen, die nicht an andere Nukleonen gebunden sind, sind die Kerne von Wasserstoffatomen, wenn sie mit einem Elektron verbunden sind, oder – wenn nicht an etwas gebunden – sind Ionen oder kosmische Strahlung.

Sowohl das Proton als auch das Neutron sind zusammengesetzte Teilchen , das heißt, jedes besteht aus kleineren Teilen, nämlich je drei Quarks ; obwohl einmal so gedacht, ist es auch kein Elementarteilchen . Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark , während das Neutron aus einem Up- und zwei Down-Quarks besteht. Quarks werden durch die starke Kraft oder äquivalent durch Gluonen zusammengehalten , die die starke Kraft auf Quark-Ebene vermitteln.

Ein Up-Quark hat elektrische Ladung ++2/3 e , und ein Down-Quark hat die Ladung+1/3 e , also sind die summierten elektrischen Ladungen von Proton und Neutron + e bzw. 0. Somit hat das Neutron eine Ladung von 0 (Null) und ist daher elektrisch neutral; Tatsächlich kommt der Begriff "Neutron" von der Tatsache, dass ein Neutron elektrisch neutral ist.

Die Massen von Proton und Neutron sind ähnlich: für das Proton ist es 1,6726 × 10 –27  kg (938,27  MeV/ c 2 ), während für das Neutron1,6749 × 10 –27  kg (939,57  MeV/ c 2 ); das Neutron ist etwa 0,13% schwerer. Die Massenähnlichkeit lässt sich grob durch den geringen Massenunterschied von Up-Quarks und Down-Quarks erklären, aus denen die Nukleonen bestehen. Eine detaillierte Beschreibung bleibt jedoch ein ungelöstes Problem der Teilchenphysik.

Der Spin des Nukleons ist1/2, das heißt, sie sind Fermionen und unterliegen wie Elektronen dem Pauli-Ausschlussprinzip : Nicht mehr als ein Nukleon, zB in einem Atomkern, darf denselben Quantenzustand besetzen .

Die Isospin- und Spinquantenzahlen des Nukleons haben jeweils zwei Zustände, was insgesamt vier Kombinationen ergibt. Ein Alphateilchen besteht aus vier Nukleonen, die alle vier Kombinationen besetzen, nämlich zwei Protonen (mit entgegengesetztem Spin ) und zwei Neutronen (ebenfalls mit entgegengesetztem Spin), und sein Nettokernspin ist Null. In größeren Kernen konstituierenden Nukleonen durch Pauli Ausschluss, sind gezwungen , relativ zu haben Bewegung , die auch Kernspin über die beitragen können Orbitalquantenzahl . Sie breiten sich in Kernschalen aus, analog zu den aus der Chemie bekannten Elektronenschalen .

Das magnetische Moment eines Protons, bezeichnet als μ p , ist2,79  μ N (wobei μ N die atomare Maßeinheit darstellt, die als Kernmagneton bezeichnet wird ). Das magnetische Moment eines Neutrons ist μ n =-1,91  μ N . Diese Parameter sind auch beim NMR/MRI- Scanning wichtig .

Stabilität

Ein Neutron im freien Zustand ist ein instabiles Teilchen mit einer Halbwertszeit von etwa zehn Minuten. Es erfährt
β
Zerfall
(eine Art radioaktiver Zerfall ), indem er sich in ein Proton verwandelt und dabei ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino emittiert . (Weitere Informationen zum Neutronenzerfall finden Sie im Artikel Neutron.) Ein Proton selbst gilt als stabil, oder zumindest ist seine Lebensdauer zu lang, um gemessen zu werden. Dies ist eine wichtige Diskussion in der Teilchenphysik (siehe Protonenzerfall ).

Im Inneren eines Kerns hingegen können kombinierte Protonen und Neutronen (Nukleonen) je nach Nuklid oder Kernspezies stabil oder instabil sein . In einigen Nukliden kann sich ein Neutron in ein Proton verwandeln (das andere Teilchen erzeugt), wie oben beschrieben; das Umgekehrte kann in anderen Nukliden passieren, wo ein Proton zu einem Neutron wird (das andere Teilchen produziert) durch
β+
Zerfall
oder Elektroneneinfang . Und im Inneren noch anderer Nuklide sind sowohl Protonen als auch Neutronen stabil und ändern ihre Form nicht.

Antinukleonen

Beide Nukleonen haben entsprechende Antiteilchen : das Antiproton und das Antineutron , die die gleiche Masse und entgegengesetzte Ladung wie das Proton bzw. das Neutron haben und auf die gleiche Weise wechselwirken. (Dies wird im Allgemeinen aufgrund der CPT-Symmetrie für genau richtig gehalten . Wenn es einen Unterschied gibt, ist er in allen bisherigen Experimenten zu klein, um ihn zu messen.) Insbesondere Antinukleonen können an einen "Antinukleus" binden. Bisher haben Wissenschaftler Antideuterium- und Antihelium-3-Kerne geschaffen.

Tabellen mit detaillierten Eigenschaften

Nukleonen

Nukleonen ( I =1/2; S = C = B = 0)
Particle
Name
Symbol Quark-
Inhalt
Masse ich 3 J P Q Magnetisches Moment ( μ N ) Mittlere Lebensdauer Zerfällt häufig zu
Proton
P
/
P+
/
n+

du

du

D
938.272 013 (23)  MeV/ c 2 1.007 276 466 77 (10)  Da +1/2 1/2+ +1  e 2.792 847 356 (23) stabil unbeobachtet
Neutron
n
/
n0
/
n0

du

D

D
939,565 346 (23)  MeV/ c 2 1.008 664 915 97 (43)  Da +1/2 1/2+ e −1,913 042 73 (45) 885,7(8)  s
P
+
e
+
ν
e
Antiproton
P
/
P
/
n

du

du

D
938.272 013 (23)  MeV/ c 2 1.007 276 466 77 (10)  Da +1/2 1/2+ −1  e −2.793(6) stabil unbeobachtet
Antineutron
n
/
n0
/
n0

du

D

D
939,485 (51)  MeV / c 2 1.008 664 915 97 (43)  Da ++1/2 1/2+ e ? 885,7(8)  s
P
+
e+
+
ν
e

^a Die Massen des Protons und Neutrons sindaufgrund ihrer DefinitioninDalton(Da)vielgenauer bekanntals in MeV/c2. Der verwendete Umrechnungsfaktor ist 1 Da = 931.494 028 (23) MeV/ c 2 .

^b Mindestens 1035Jahre. SieheProtonenzerfall.

^c Fürfreie Neutronen; In den meisten Kernen sind Neutronen stabil.

Die Massen ihrer Antiteilchen werden als identisch angenommen, und keine Experimente haben dies bisher widerlegt. Aktuelle Experimente zeigen, dass jeder relative Unterschied zwischen den Massen des Protons und des Antiprotons kleiner als sein muss2 × 10 −9 und die Differenz zwischen den Neutronen- und Antineutronenmassen liegt in der Größenordnung von(9 ± 6) × 10 –5  MeV/ c 2 .

Proton-Antiproton-CPT-Invarianztests
Prüfen Formel PDG-Ergebnis
Masse <2 × 10 -9
Ladung-zu-Masse-Verhältnis 0,999 999 999 91 (9)
Ladung-zu-Masse-zu-Masse-Verhältnis (−9 ± 9) × 10 −11
Aufladen <2 × 10 -9
Elektronenladung <1 × 10 −21
Magnetisches Moment (−0,1 ± 2,1) × 10 −3

Nukleonenresonanzen

Nukleon Resonanzen sind angeregte Zustände von Nukleon Teilchen, was häufig zu einer der entsprechenden einen Quarks blätterte mit Spin - Zustand, oder mit unterschiedlichen Bahndrehimpuls , wenn das Teilchen abklingt. In dieser Tabelle sind nur Resonanzen mit einer 3- oder 4-Sterne-Bewertung der Particle Data Group (PDG) enthalten. Aufgrund ihrer außergewöhnlich kurzen Lebensdauer werden viele Eigenschaften dieser Partikel noch untersucht.

Das Symbolformat wird als N( m ) L IJ angegeben , wobei m die ungefähre Masse des Teilchens ist, L der Bahndrehimpuls (in der spektroskopischen Schreibweise ) des Nukleon-Mesonen-Paares ist, das beim Zerfall entsteht, und I und J sind der Isospin bzw. der Gesamtdrehimpuls des Teilchens . Da Nukleonen definiert sind als mit1/2Isospin, die erste Zahl ist immer 1, und die zweite Zahl ist immer ungerade. Bei der Diskussion von Nukleonenresonanzen wird das N manchmal weggelassen und die Reihenfolge in der Form L IJ ( m ) umgekehrt ; ein Proton kann beispielsweise als "N(939) S 11 " oder "S 11 (939)" bezeichnet werden.

Die folgende Tabelle listet nur die Basisresonanz auf; jeder einzelne Eintrag repräsentiert 4  Baryonen : 2 Nukleonenresonanzteilchen und ihre 2 Antiteilchen. Jede Resonanz existiert in einer Form mit positiver elektrischer Ladung ( Q ), mit einer Quark-Zusammensetzung von
du

du

D
wie das Proton, und eine neutrale Form mit einer Quark-Zusammensetzung von
du

D

D
wie das Neutron, sowie die entsprechenden Antiteilchen mit Antiquark-Zusammensetzungen von
du

du

D
und
du

D

D
bzw. Da sie keine Strange- , Charm- , Bottom- oder Top- Quarks enthalten, besitzen diese Teilchen keine Strangeness usw.

In der Tabelle sind nur die Resonanzen mit einem Isospin = . aufgeführt1/2. Für Resonanzen mit Isospin =3/2siehe den Artikel über Deltabaryonen .

Kernresonanzen mit I =1/2
Symbol  J P  PDG Massen Durchschnitt
( MeV / c 2 )
Volle Breite
(MeV/ c 2 )
Pole-Position
(Realteil)
Pole-Position
(−2 × Imaginärteil)
Häufige Zerfälle
i /Γ > 50%)
N (939) P 11
1/2+ 939 Ich Ich Ich Ich
N(1440) P 11

(die Roper-Resonanz )
1/2+ 1440
(1420-1470)
300
(200–450)
1365
(1350–1380)
190
(160–220)

n
+
π
N (1520) D 13
3/2 1520
(1515-1525)
115
(100–125)
1510
(1505–1515)
110
(105–120)

n
+
π
N (1535) , S 11
1/2 1535
(1525–1545)
150
(125–175)
1510
(1490-1530)
170
(90–250)

n
+
π
oder


n
+
η
N (1650) S 11
1/2 1650
(1645-1670)
165
(145–185)
1665
(1640-1670)
165
(150–180)

n
+
π
N(1675) D 15
5/2 1675
(1670-1680)
150
(135-165)
1660
(1655–1665)
135
(125–150)

n
+
π
+
π
oder


Δ
+
π
N(1680) F 15
5/2+ 1685
(1680-1690)
130
(120–140)
1675
(1665-1680)
120
(110–135)

n
+
π
N (1700) D 13
3/2 1700
(1650-1750)
100
(50–150)
1680
(1630-1730)
100
(50–150)

n
+
π
+
π
N(1710) P 11
1/2+ 1710
(1680–1740)
100
(50–250)
1720
(1670-1770)
230
(80–380)

n
+
π
+
π
N(1720) P 13
3/2+ 1720
(1700-1750)
200
(150–300)
1675
(1660-1690)
115–275
n
+
π
+
π
oder


n
+
ρ
N (2190) G 17
7/2 2190
(2100-2200)
500
(300–700)
2075
(2050–2100)
450
(400–520)

n
+
π
(10—20 %)
N(2200) H 19
9/2+ 2250
(2200–2300)
400
(350–500)
2170
(2130-2200)
480
(400–560)

n
+
π
(10—20 %)
N(2250) G 19
9/2 2250
(2200–2350)
500
(230–800)
2200
(2150–2250)
450
(350–550)

n
+
π
(5—15 %)

Das Nukleon P 11 (939) repräsentiert den angeregten Zustand eines normalen Protons oder Neutrons. Ein solches Partikel kann stabil sein, wenn es sich in einem Atomkern befindet, zB in Lithium-6 .

Quark-Modellklassifizierung

Im Quarkmodell mit SU(2) -Flavor sind die beiden Nukleonen Teil des Grundzustands-Dubletts. Das Proton hat einen Quarkgehalt von uud und das Neutron von udd . Im SU(3) -Geschmack sind sie Teil des Grundzustands-Oktetts ( 8 ) von Spin -1/2 Baryonen , bekannt als der Achtfache Weg . Die anderen Mitglieder dieses Oktett sind die Hyperonen seltsam isotriplet
Σ+
,
Σ0
,
Σ
, das
Λ
und das seltsame Isodoublet
Ξ0
,
Ξ
. Man kann dieses Multiplett in SU(4) -Flavor (mit Einschluss des Charm-Quarks ) auf das Grundzustand 20 -Plet oder in SU(6) -Flavor (mit Einschluss des Top- und Bottom-Quarks ) auf den Boden erweitern -Zustand 56 -plet.

Der Artikel über Isospin liefert einen expliziten Ausdruck für die Nukleonenwellenfunktionen in Form der Quark-Flavor-Eigenzustände.

Modelle

Obwohl bekannt ist, dass das Nukleon aus drei Quarks besteht, ist seit 2006 nicht bekannt, wie die Bewegungsgleichungen für die Quantenchromodynamik gelöst werden können . So werden die Untersuchungen der niederenergetischen Eigenschaften des Nukleons mit Hilfe von Modellen durchgeführt. Der einzige verfügbare First-Principles-Ansatz besteht darin, zu versuchen, die Gleichungen der QCD numerisch unter Verwendung der Gitter-QCD zu lösen . Dies erfordert komplizierte Algorithmen und sehr leistungsfähige Supercomputer . Es gibt jedoch auch mehrere analytische Modelle:

Skyrmion-Modelle

Das Skyrmion modelliert das Nukleon als topologisches Soliton in einem nichtlinearen SU(2) -Pionenfeld . Die topologische Stabilität des Skyrmions wird als Erhaltung der Baryonenzahl interpretiert, also als Nichtzerfall des Nukleons. Die lokale topologische Windungszahldichte wird mit der lokalen Baryonenzahldichte des Nukleons identifiziert . Da das Pion-Isospin-Vektorfeld in Form eines Igelraums orientiert ist , ist das Modell leicht lösbar und wird daher manchmal als Igelmodell bezeichnet . Das Hedgehog-Modell ist in der Lage, niederenergetische Parameter wie die Nukleonenmasse, den Radius und die axiale Kopplungskonstante auf etwa 30% der experimentellen Werte vorherzusagen .

MIT Taschenmodell

Das MIT-Beutelmodell beschränkt Quarks und Gluonen, die durch Quantenchromodynamik wechselwirken, auf einen Raumbereich, der durch Ausgleichen des von den Quarks und Gluonen ausgeübten Drucks gegen einen hypothetischen Druck bestimmt wird, der durch das Vakuum auf alle farbigen Quantenfelder ausgeübt wird. Die einfachste Annäherung an die Grenzen Modell drei nicht miteinander wechselwirkenden Quark zu einem sphärischen Hohlraum, mit der Randbedingung , daß der Quark Vektorstrom Schwund an der Grenze. Die wechselwirkungsfreie Behandlung der Quarks wird mit der Idee der asymptotischen Freiheit begründet , während die harte Randbedingung durch Quark-Einschluss begründet wird .

Mathematisch ähnelt das Modell vage dem eines Radarhohlraums , wobei Lösungen der Dirac-Gleichung für Lösungen der Maxwell-Gleichungen stehen und die Randbedingung des verschwindenden Vektorstroms für die leitenden Metallwände des Radarhohlraums steht. Wenn der Radius des Beutels zu dem Radius des Nukleon eingestellt ist, die Tasche Modell sagt eine Nukleon Masse , die innerhalb von 30% der tatsächlichen Masse ist.

Obwohl das grundlegende Taschenmodell keine Pion-vermittelte Wechselwirkung liefert, beschreibt es hervorragend die Nukleon-Nukleon-Kräfte durch den 6-Quark-Taschen- s- Kanal-Mechanismus unter Verwendung der P- Matrix.

Chirales Taschenmodell

Das chirale Taschenmodell verschmilzt das MIT-Taschenmodell und das Skyrmion-Modell . Bei diesem Modell wird ein Loch aus der Mitte des Skyrmions gestanzt und durch ein Taschenmodell ersetzt. Die Randbedingung wird durch das Erfordernis der Kontinuität des axialen Vektorstroms über die Beutelgrenze bereitgestellt .

Seltsamerweise wird der fehlende Teil der topologischen Windungszahl (der Baryonenzahl) des in das Skyrmion gestanzten Lochs genau durch den von Null verschiedenen Vakuumerwartungswert (oder spektrale Asymmetrie ) der Quarkfelder im Inneren des Beutels ausgeglichen. Ab 2017 hat dieser bemerkenswerte Kompromiss zwischen Topologie und dem Spektrum eines Operators keine Grundlage oder Erklärung in der mathematischen Theorie der Hilberträume und ihrer Beziehung zur Geometrie .

Einige andere Eigenschaften des chiralen Beutels sind bemerkenswert: Er passt sich besser an die niederenergetischen Nukleoneneigenschaften an, bis auf 5–10%, und diese sind fast vollständig unabhängig vom Radius des chiralen Beutels, solange der Radius kleiner ist als der Nukleonenradius. Diese Unabhängigkeit von Radius wird als bezeichnet Cheshire Cat Prinzip , nach dem Verblassen von Lewis Carroll ‚s Cheshire - Katze nur seine Lächeln. Es wird erwartet, dass eine First-Principles-Lösung der QCD-Gleichungen eine ähnliche Dualität der Quark-Pion-Beschreibungen zeigt.

Siehe auch

Fußnoten

Verweise

Partikellisten

Weiterlesen