البروتونات والنيوترونات: الازدحام داخل المادة

توجد في مركز كل ذرة نواة ، وهي مجموعة صغيرة من الجسيمات تسمى البروتونات والنيوترونات. في هذه المقالة سوف ندرس طبيعة البروتونات والنيوترونات ، التي تتكون من جزيئات أصغر حجمًا - الكواركات والغلونات والعلامات القديمة. (الغلوونات ، مثل الفوتونات ، هي جسيمات مضادة من تلقاء نفسها). الكواركات والغلونات ، على حد علمنا ، يمكن أن تكون أولية حقًا (غير قابلة للتجزئة ولا تتكون من شيء أصغر في الحجم). لكن لهم فيما بعد.

والمثير للدهشة أن كتلة البروتونات والنيوترونات هي نفسها تقريبًا - حتى نسبة مئوية:

• 0.93827 جيف / ثانية ² في البروتون ،
• 0.93957 جيف / ثانية ² في النيوترون.

هذا هو مفتاح طبيعتها - فهي في الواقع متشابهة للغاية. نعم ، هناك فرق واحد واضح بينهما: البروتون لديه شحنة كهربائية موجبة ، والنيوترون ليس لديه شحنة (إنه محايد ، ومن هنا جاء اسمه). تبعا لذلك ، تعمل القوى الكهربائية على الأول ، ولكن ليس على الثانية. للوهلة الأولى ، يبدو هذا الاختلاف مهمًا جدًا! لكن في الواقع ليس الأمر كذلك. في جميع الحواس الأخرى ، البروتون مع النيوترون يكاد يكون توأمان. فهي متطابقة ليس فقط مع الجماهير ، ولكن أيضًا في البنية الداخلية.

ولأنها متشابهة جدًا ، وبما أن النوى تتكون من هذه الجسيمات ، فإن البروتونات والنيوترونات غالبًا ما تسمى النوكليونات.

تم تحديد البروتونات ووصفها في حوالي عام 1920 (على الرغم من اكتشافها في وقت سابق ؛ نواة ذرة الهيدروجين ليست سوى بروتون منفصل) ، وتم العثور على النيوترونات في مكان ما في عام 1933. حقيقة أن البروتونات والنيوترونات متشابهة جدًا مع بعضها البعض ، فهموا على الفور تقريبًا. لكنهم لم يعرفوا أن لديهم حجمًا قابلًا للقياس مقارنة بحجم النواة (حوالي 100000 مرة أصغر من الذرة في نصف القطر) حتى عام 1954. تم فهم حقيقة أنها تتكون من الكواركات ، والقطع الأثرية ، والغلون تدريجيًا من منتصف الستينيات إلى منتصف السبعينيات. بحلول نهاية السبعينيات وبداية الثمانينيات ، كان فهمنا للبروتونات والنيوترونات وما تتكون منه ، قد استقر في معظمه وبقي دون تغيير منذ ذلك الحين.

إن النيوكليونات أكثر صعوبة في الوصف من الذرات أو النوى. ناهيك عن أن الذرات بسيطة في الأساس ، ولكن على الأقل يمكنك القول دون تردد أن ذرة الهيليوم تتكون من إلكترونين في مدار حول نواة هيليوم صغيرة ؛ ونواة الهيليوم هي مجموعة بسيطة إلى حد ما من نيوترون واثنين من البروتونات. لكن مع النيوكليونات ، كل شيء ليس بهذه البساطة. لقد كتبت بالفعل في مقالة " ما هو البروتون ، وما بداخله؟ " أن الذرة تبدو وكأنها دقيقة أنيقة ، والنواة تبدو كحفلة برية.

تعقيد البروتون والنيوترون ، على ما يبدو ، طموح للغاية ، ولا ينبع من معرفة فيزيائية غير مكتملة. لدينا معادلات تُستخدم لوصف الكواركات والعلامات القديمة والغلوونات ، بالإضافة إلى التفاعلات النووية القوية التي تحدث بينهما. تسمى هذه المعادلات QCD ، من " الديناميكا الصبغية الكمومية ". يمكن التحقق من دقة المعادلات بطرق مختلفة ، بما في ذلك قياس عدد الجسيمات التي تظهر في مصادم هادرون الكبير. عن طريق استبدال معادلات QCD في جهاز كمبيوتر وبدء حسابات خصائص البروتونات والنيوترونات والجسيمات المماثلة الأخرى (بالاسم العام "hadrons") ، نحصل على تنبؤات لخصائص هذه الجسيمات ، وهي قريبة جدًا من الملاحظات التي تتم في العالم الحقيقي. لذلك ، لدينا سبب للاعتقاد بأن معادلات QCD لا تكذب ، وأن معرفتنا بالبروتون والنيوترون تعتمد على المعادلات الصحيحة. لكن مجرد وجود المعادلات الصحيحة لا يكفي ، لأن:

• المعادلات البسيطة يمكن أن يكون لها حلول معقدة للغاية ،
• في بعض الأحيان يكون من المستحيل وصف الحلول المعقدة بطريقة بسيطة.

بقدر ما يمكننا أن نقول ، هذا هو الحال مع النيوكليونات: هذه حلول معقدة لمعادلات QCD البسيطة ، ولا يمكن وصفها ببضع كلمات أو صور.

نظرًا للتعقيد الداخلي للنويات ، سيتعين عليك ، أيها القارئ ، الاختيار: كم تريد أن تتعلم عن التعقيد الموصوف؟ بغض النظر عن المسافة التي تقطعها ، فمن المرجح ألا تجلب لك الرضا: كلما اكتشفت أكثر ، كلما أصبح الموضوع أكثر فهمًا بالنسبة لك ، لكن الجواب النهائي سيظل كما هو - البروتون والنيوترون معقدان للغاية. يمكنني أن أقدم لكم ثلاثة مستويات من الفهم ، مع زيادة في التفاصيل ؛ يمكنك التوقف بعد أي مستوى والتبديل إلى موضوعات أخرى ، أو يمكنك الغوص إلى آخر. فيما يتعلق بكل مستوى ، تنشأ الأسئلة ، والإجابات التي يمكنني تقديمها جزئيًا في المرحلة التالية ، ولكن الإجابات الجديدة تثير أسئلة جديدة. في النهاية - كما أفعل في المناقشات المهنية مع الزملاء والطلاب المتقدمين - يمكنني فقط إحالتك إلى البيانات التي تم الحصول عليها في التجارب الحقيقية ، إلى مختلف الحجج النظرية المؤثرة ، والمحاكاة الحاسوبية.

المستوى الأول من الفهم

مما تتكون البروتونات والنيوترونات؟


التين. 1: نسخة مبسطة بشكل مفرط من البروتونات التي تتكون من كواركين علويين وكوارك سفلي واحد ، ونيوترونات تتكون من كواركين سفليين فقط وواحد علوي

لتبسيط الأمر ، تشير العديد من الكتب والمقالات والمواقع الإلكترونية إلى أن البروتونات تتكون من ثلاثة كواركات (اثنان علويان وواحد سفلي) وترسم شيئًا مثل الأرز. 1. النيوترون هو نفسه ، ويتكون فقط من كوارك علوي وسوارين سفليين. توضح هذه الصورة البسيطة ما يعتقده بعض العلماء ، بشكل رئيسي في الستينيات. ولكن سرعان ما أصبح واضحًا أن وجهة النظر هذه كانت مفرطة في التبسيط لدرجة لم تعد صحيحة.

من مصادر معلومات أكثر تعقيدًا ، ستجد أن البروتونات تتكون من ثلاثة كواركات (اثنان علويان وواحد سفلي) مترابطان معًا بواسطة gluons - وقد تظهر صورة مشابهة للتين. 2 ، حيث يتم رسم الجلوونات في شكل نوابض أو خيوط تحمل كواركات. النيوترونات هي نفسها ، مع كوارك علوي واحد واثنان سفليان فقط.


التين. 2: تحسين الشكل 1 بسبب التأكيد على الدور المهم للتفاعل النووي القوي الذي يحمل الكواركات في البروتون

هذه ليست طريقة سيئة لوصف النيوكليونات ، لأنها تؤكد على الدور المهم للتفاعل النووي القوي ، الذي يحمل الكواركات في البروتون بسبب الغلوونات (تمامًا مثل الفوتون ، الجسيمات التي يصنع منها الضوء) مرتبط بالتفاعل الكهرومغناطيسي. لكن هذا الأمر مربك أيضًا ، لأنه لا يفسر حقًا ما هي الجلونات وماذا تفعل.

هناك أسباب للمضي قدمًا ووصف الأشياء كما فعلت في مقالات أخرى : يتكون البروتون من ثلاثة كواركات (اثنان علويان وواحد سفلي) ، وأكوام من gluons وجبال من أزواج الكواركات العتيقة (بشكل رئيسي هذه الكواركات العلوية والسفلية ، ولكن هناك عدة غريب). كلهم يطيرون ذهابًا وإيابًا بسرعة عالية جدًا (تقترب من سرعة الضوء) ؛ يتم عقد هذه المجموعة بأكملها في مكانها عن طريق التفاعل النووي القوي. لقد بينت هذا في الشكل. 3. النيوترونات هي نفسها مرة أخرى ، ولكن بكوارك علوي واحد وكواركين سفليين. يشار إلى الكوارك التابع بسهم.


التين. 3: صورة أكثر واقعية ، على الرغم من أنها لا تزال غير كاملة ، من البروتونات والنيوترونات

لا تتسابق هذه الكواركات والقطع الأثرية والغلاونات بشكل كبير ذهابًا وإيابًا فحسب ، بل تتصادم أيضًا مع بعضها البعض وتتحول إلى بعضها البعض من خلال عمليات مثل إبادة الجسيمات (حيث يتحول الكوارك والعلامة القديمة من نفس النوع إلى غلوينين ، أو العكس) امتصاص وانبعاث الغلوون (حيث يمكن أن يتصادم الكوارك والغلون ويولدان كوارك وغلوينان ، أو العكس).

ما المشترك بين هذه الأوصاف الثلاثة:

• الكواركات العلوية والكوارك السفلي (بالإضافة إلى شيء آخر) لهما بروتون.
• كوارك علوي واحد وكواركين سفليان (بالإضافة إلى شيء آخر) له نيوترون.
• يتزامن "شيء آخر" للنيوترونات مع "شيء آخر" للبروتونات. أي أن النيوكليونات "لديها شيء آخر" متشابه.
• يظهر اختلاف كتلة صغير بين البروتون والنيوترون بسبب اختلاف الكتلة بين الكوارك السفلي والكوارك العلوي.

ومنذ ذلك الحين:

• في الكواركات العلوية ، تكون الشحنة الكهربائية 2/3 e (حيث e هي شحنة البروتون ، -e هي شحنة الإلكترون) ،
• في الكواركات المنخفضة ، تكون الشحنة -1 / 3e ،
• gluons لديها شحنة 0 ،
• أي كوارك و antiquark المقابل له شحنة إجمالية 0 (على سبيل المثال ، يحتوي الكوارك المضاد للإنخفاض على شحنة + 1 / 3e ، بحيث تكون شحنة الكوارك السفلي و antiquark أقل –1/3 e +1/3 e = 0) ،

يربط كل شكل الشحنة الكهربائية للبروتون بحساب الكواركين العلويين والواحد السفلي ، ويضيف "شيء آخر" إلى الشحنة 0. وبنفس الطريقة ، فإن النيوترون لديه شحنة صفرية بسبب كوارك علوي وسوارين سفليين:

• إجمالي الشحنة الكهربائية للبروتون هي 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e ،
• إجمالي الشحنة الكهربائية للنيوترون هي 2/3 هـ - 1/3 هـ - 1/3 هـ = 0.

تختلف هذه الأوصاف في ما يلي:

• ما مقدار "شيء آخر" داخل النواة ،
• ماذا تفعل هناك
• حيث تأتي الكتلة والطاقة من الكتلة (E = mc ² ، الطاقة الموجودة هناك ، حتى عندما يكون الجسيم في حالة استراحة) نواة.

نظرًا لأن معظم كتلة الذرة ، وبالتالي جميع المواد العادية ، موجودة في البروتونات والنيوترونات ، فإن النقطة الأخيرة مهمة للغاية لفهم صحيح لطبيعتنا.

التين. يشير 1 إلى أن الكواركات ، في الواقع ، تمثل ثلث النواة - تقريبًا بنفس الطريقة التي يمثل بها البروتون أو النيوترون ربع نواة الهيليوم أو 1/12 من نواة الكربون. إذا كان هذا النمط صحيحًا ، فإن الكواركات في النواة تتحرك ببطء نسبيًا (بسرعات أقل بكثير من الضوء) مع تفاعلات ضعيفة نسبيًا تعمل بينها (وإن كان ذلك مع وجود بعض القوى القوية التي تثبتها). تكون كتلة الكوارك ، العلوي والسفلي ، في حدود 0.3 GeV / s ² ، حوالي ثلث كتلة البروتون. لكن هذه الصورة البسيطة والأفكار المفروضة عليها ببساطة غير صحيحة.

التين. 3. يعطي فكرة مختلفة تمامًا عن البروتون كغلاية من الجسيمات المتدفقة فيه بسرعات قريبة من الضوء. تتصادم هذه الجسيمات مع بعضها البعض ، وفي هذه التصادمات يتم القضاء على بعضها ، بينما يتم إنشاء البعض الآخر في مكانها. جلونز ليس لها كتلة ، وكتل الكواركات العلوية هي من 0.004 GeV / s ² ، والكتل الأقل من 0.008 GeV / s ² أصغر بمئات المرات من البروتون. من أين تأتي طاقة كتلة البروتون هو سؤال معقد: جزء منها يأتي من طاقة الكتلة من الكواركات والعلامات القديمة ، وجزء من طاقة حركة الكواركات ، والعلامات القديمة والغلوونات ، وجزء (ربما إيجابي ، وربما سلبي) من الطاقة المخزنة في تفاعل نووي قوي ، ربط الكواركات ، الآثار القديمة والغلوونات معًا.

بمعنى ما ، الشكل 2 يحاول إزالة الفرق بين الشكل. 1 والتين. 3. يبسط الشكل. 3 ، إزالة العديد من أزواج الكواركات العتيقة ، والتي ، من حيث المبدأ ، يمكن أن تسمى سريعة الزوال ، لأنها تنشأ باستمرار وتختفي ، وليست ضرورية. لكنه يعطي الانطباع بأن الغلوونات في النوكليونات هي جزء مباشر من التفاعل النووي القوي الذي يحمل البروتونات. ولا تشرح من أين تأتي كتلة البروتون.

في الشكل. 1 هناك عيب آخر ، باستثناء الإطارات الضيقة للبروتون والنيوترون. لا يشرح بعض خصائص الهدرونات الأخرى ، على سبيل المثال ، pion و p-meson . رايس لديها نفس المشاكل. 2.

وقد أدت هذه القيود إلى حقيقة أن طلابي وفي موقعي ، أعطي صورة مع الأرز. 3. لكني أريد أن أحذر من أن لديها أيضًا قيودًا عديدة ، والتي سأدرسها لاحقًا.

تجدر الإشارة إلى أن التعقيد الشديد للبنية ، التين الضمني. 3 ، يمكن للمرء أن يتوقع من جسم تمسكه قوة قوية مثل التفاعل النووي القوي. وهناك شيء آخر: ثلاثة كواركات (اثنان علويان وواحد سفلي عند البروتون) ، والتي ليست جزءًا من مجموعة أزواج الكواركات القديمة ، غالبًا ما تسمى "كواركات التكافؤ" ، وغالبًا ما يطلق على أزواج الكواركات القديمة "بحر أزواج الكواركات". مثل هذه اللغة ملائمة من الناحية الفنية في كثير من الحالات. لكنه يعطي انطباعًا خاطئًا أنه إذا كان بإمكانك النظر داخل البروتون والنظر إلى كوارك معين ، يمكنك على الفور أن تقول ما إذا كان جزءًا من البحر أو التكافؤ. هذا لا يمكن القيام به ، ببساطة لا يوجد مثل هذا الطريق.

كتلة البروتون وكتلة النيوترون

بما أن كتلتي البروتون والنيوترون متشابهان جدًا ، وبما أن البروتون والنيوترون يختلفان فقط في استبدال الكوارك العلوي بالجزء السفلي ، فيبدو من المرجح أن كتلتهما يتم توفيرها بنفس الطريقة ، وتأتي من نفس المصدر ، ويختلف اختلافهما اختلافًا طفيفًا بين الكواركات العلوية والسفلية. . لكن الأرقام الثلاثة الموضحة تشير إلى وجود ثلاث وجهات نظر مختلفة للغاية حول أصل كتلة البروتون.

التين. يشير 1 إلى أن الكواركات العلوية والسفلية تشكل ببساطة 1/3 من كتلة البروتون والنيوترون: من 0.313 GeV / s ² ، أو بسبب الطاقة المطلوبة لعقد الكواركات في البروتون. وبما أن الفرق بين كتلتي البروتون والنيوترون هو جزء من نسبة مئوية ، فإن الفرق بين كتل الكواركات العلوية والسفلية يجب أن يكون أيضًا جزءًا من نسبة مئوية.

التين. 2 أقل وضوحا. ما هو جزء من كتلة البروتون بسبب الغلوونات؟ ولكن ، من حيث المبدأ ، يستنتج من الشكل أن معظم كتلة البروتون لا تزال تأتي من كتلة الكواركات ، كما في الشكل. 1.

التين. 3 يعكس نهجًا أكثر دقة في كيفية ظهور كتلة البروتون بالفعل (حيث يمكننا التحقق مباشرة من خلال حسابات الكمبيوتر للبروتون ، وليس باستخدام طرق رياضية أخرى مباشرة). وهي مختلفة تمامًا عن الأفكار المعروضة في الشكل. 1 و 2 ، وتبين أنه ليس بهذه البساطة.

لفهم كيفية عمل ذلك ، يجب على المرء أن يفكر ليس من حيث كتلة البروتون m ، ولكن من حيث الطاقة الكتلية E = mc ² ، الطاقة المرتبطة بالكتلة. السؤال الصحيح من الناحية النظرية ليس "من أين أتت كتلة البروتون m" ، وبعد ذلك يمكنك حساب E بضرب m في c ² ، ولكن بالعكس: "من أين تأتي طاقة كتلة البروتون E" ، وبعد ذلك يمكنك حساب الكتلة m ، قسمة E على c ² .

من المفيد تصنيف المساهمات في طاقة الكتلة البروتونية إلى ثلاث مجموعات:

أ) طاقة الكتلة (الطاقة الباقية) من الكواركات والعوارض الموجودة فيها (الغلوونات ، الجسيمات عديمة الكتلة ، لا تقدم أي مساهمة).
ب) طاقة الحركة (الطاقة الحركية) للكواركات والعلامات القديمة والغلوونات.
ج) طاقة التفاعل (طاقة الربط أو الطاقة الكامنة) المخزنة في تفاعل نووي قوي (بشكل أكثر دقة ، في حقول الغلوون) التي تحمل البروتون.

التين. يشير 3 إلى أن الجسيمات الموجودة داخل البروتون تتحرك بسرعة عالية ، وأنها مليئة بالغلوونات عديمة الكتلة ، وبالتالي فإن مساهمة B) أكبر من A). عادة ، في معظم النظم الفيزيائية ، تكون B) و C) قابلة للمقارنة ، بينما C) غالبًا ما تكون سلبية. لذا يتم الحصول على طاقة كتلة البروتون (والنيوترون) بشكل أساسي من مزيج من B) و C) ، و A) يساهم بجزء صغير. لذلك ، تظهر كتل البروتون والنيوترون بشكل رئيسي ليس بسبب كتل الجسيمات الموجودة فيها ، ولكن بسبب طاقات حركة هذه الجسيمات وطاقة تفاعلها المرتبط بمجالات الغلوون التي تولد القوى التي تحتفظ بالبروتون. في معظم الأنظمة الأخرى التي نعرفها ، يتم توزيع ميزان الطاقة بشكل مختلف. على سبيل المثال ، في الذرات وفي النظام الشمسي أ) يهيمن ، و ب) و ج) أصغر بكثير ، ويمكن مقارنتها من حيث الحجم.

تلخيص ، نشير إلى أن:

• التين. 1 يقترح أن طاقة كتلة البروتون تأتي من مساهمة A).
• التين. 2 يفترض أن كلا المساهمين أ) و ب) مهمان ، و ب) تستحوذ على جزء صغير من حصتها.
• التين. 3 تشير إلى أن B) و C) مهمة ، ومساهمة A) غير ذات أهمية.

نحن نعلم أن التين. 3. للتحقق من ذلك ، يمكننا إجراء عمليات محاكاة للكمبيوتر ، والأهم من ذلك ، بفضل الحجج النظرية المقنعة المختلفة ، فإننا نعلم أنه إذا كانت كتل الكواركات العلوية والسفلية صفرية (وبقي كل شيء آخر كما هو) ، فإن كتلة البروتون لن تكون عمليا سيتغير. لذا ، على ما يبدو ، لا تستطيع كتل الكواركات تقديم مساهمات مهمة في كتلة البروتون.

إذا الموافقة المسبقة عن علم. 3ـ لا تكذب ، فكتل الكوارك والقطع الأثرية صغيرة جدًا. كيف هم حقا؟ لا تتجاوز كتلة الكوارك العلوي (وكذلك antiquark) 0.005 GeV / s ² ، وهو أقل بكثير من 0.313 GeV / s ² ، والذي يتبع من الشكل. 1. (من الصعب قياس كتلة الكوارك العلوي ، وتتغير هذه القيمة بسبب تأثيرات خفية ، بحيث يمكن أن تكون أقل بكثير من 0.005 GeV / s ² ). تبلغ كتلة الكوارك السفلي حوالي 0.004 GeV / s ² أكثر من كتلة الجزء العلوي. هذا يعني أن كتلة أي كوارك أو أثر قديم لا تتجاوز واحد بالمائة من كتلة البروتون.

يرجى ملاحظة أن هذا يعني (على عكس الشكل 1) أن نسبة كتلة الكوارك السفلي إلى الأعلى لا تقترب من الوحدة! كتلة الكوارك السفلي هي على الأقل ضعف كتلة الجزء العلوي. السبب في أن كتل النيوترون والبروتون متشابهة للغاية ليس لأن كتل الكواركات العلوية والسفلية متشابهة ، ولكن لأن كتل الكواركات العلوية والسفلية صغيرة جدًا - والفرق بينهما صغير ، بالنسبة لكتل ​​البروتون والنيوترون. تذكر أنه لتحويل البروتون إلى نيوترون ، ما عليك سوى استبدال أحد الكواركات العلوية بأخرى سفلية (الشكل 3). هذا الاستبدال كافٍ لجعل النيوترون أثقل قليلاً من البروتون ، وتغيير شحنته من + e إلى 0.

بالمناسبة ، حقيقة أن الجسيمات المختلفة داخل البروتون تتصادم مع بعضها البعض ، وتظهر باستمرار وتختفي ، لا تؤثر على الأشياء التي نناقشها - يتم تخزين الطاقة في أي تصادم. يمكن أن تتغير طاقة الكتلة وطاقة حركة الكواركات والغلونات ، وكذلك طاقة تفاعلها ، لكن الطاقة الإجمالية للبروتون لا تتغير ، على الرغم من أن كل شيء بداخلها يتغير باستمرار. لذا تظل كتلة البروتون ثابتة ، على الرغم من الدوامة الداخلية.

عند هذه النقطة ، يمكنك إيقاف واستيعاب المعلومات الواردة. مذهل! تأتي كل الكتلة الموجودة في المادة العادية تقريبًا من كتلة النيوكليونات في الذرات. وتأتي معظم هذه الكتلة من الفوضى الكامنة في البروتون والنيوترون - من طاقة حركة الكواركات والغلونات والعلامات القديمة في النيوكليونات ، ومن طاقة عمل التفاعلات النووية القوية التي تحافظ على النوكليون في الحالة بأكملها. نعم: كوكبنا ، أجسادنا ، أنفاسنا هي نتيجة هذا الازدحام الهادئ ، وحتى وقت قريب ، لا يمكن تصوره.