Protonen und Neutronen: Gedränge in der Materie

Im Zentrum jedes Atoms befindet sich ein Kern, eine winzige Ansammlung von Teilchen, die Protonen und Neutronen genannt werden. In diesem Artikel werden wir die Natur von Protonen und Neutronen untersuchen, die aus Teilchen bestehen, die noch kleiner sind - Quarks, Gluonen und Antiquarks. (Gluonen sind wie Photonen von sich aus Antiteilchen). Quarks und Gluonen können, soweit wir wissen, wirklich elementar sein (unteilbar und bestehen nicht aus etwas Kleinerem). Aber zu ihnen später.

Überraschenderweise ist die Masse der Protonen und Neutronen nahezu gleich - bis zu einem Prozentsatz:

• 0,93827 GeV / s ² am Proton,
• 0,93957 GeV / s ² am Neutron.

Dies ist der Schlüssel zu ihrer Natur - sie sind sich tatsächlich sehr ähnlich. Ja, es gibt einen offensichtlichen Unterschied zwischen ihnen: Das Proton hat eine positive elektrische Ladung und das Neutron hat keine Ladung (es ist neutral, daher der Name). Dementsprechend wirken elektrische Kräfte auf die erste, aber nicht auf die zweite. Dieser Unterschied scheint auf den ersten Blick sehr wichtig! In Wirklichkeit ist dies jedoch nicht der Fall. In allen anderen Sinnen ist ein Proton mit einem Neutron fast Zwillinge. Sie sind nicht nur mit den Massen identisch, sondern auch mit der inneren Struktur.

Weil sie so ähnlich sind und Kerne aus diesen Teilchen bestehen, werden Protonen und Neutronen oft als Nukleonen bezeichnet.

Protonen wurden um 1920 identifiziert und beschrieben (obwohl sie früher entdeckt wurden; der Kern eines Wasserstoffatoms ist nur ein separates Proton), und Neutronen wurden irgendwo im Jahr 1933 gefunden. Die Tatsache, dass Protonen und Neutronen einander so ähnlich sind, haben sie fast sofort verstanden. Sie wussten jedoch bis 1954 nicht, dass sie eine messbare Größe haben, die mit der Größe des Kerns vergleichbar ist (etwa 100.000-mal kleiner als das Atom im Radius). Die Tatsache, dass sie aus Quarks, Antiquarks und Gluonen bestehen, wurde von Mitte der 1960er bis Mitte der 1970er Jahre allmählich verstanden. Ende der 70er und Anfang der 80er Jahre hat sich unser Verständnis von Protonen, Neutronen und deren Bestandteilen größtenteils beruhigt und ist seitdem unverändert geblieben.

Nukleonen sind viel schwieriger zu beschreiben als Atome oder Kerne. Um nicht zu sagen, dass Atome im Grunde genommen einfach sind , aber zumindest kann man ohne zu zögern sagen, dass ein Heliumatom aus zwei Elektronen besteht, die sich in einer Umlaufbahn um einen winzigen Heliumkern befinden. und der Heliumkern ist eine ziemlich einfache Gruppe von zwei Neutronen und zwei Protonen. Aber mit Nukleonen ist nicht alles so einfach. Ich habe bereits in dem Artikel „ Was ist ein Proton und was ist darin? “ Geschrieben, dass das Atom wie ein elegantes Menuett aussieht und das Nukleon wie eine wilde Party.

Die Komplexität von Proton und Neutron ist offenbar sehr ehrgeizig und beruht nicht auf unvollständigem physikalischem Wissen. Wir haben Gleichungen verwendet, um Quarks, Antiquarks und Gluonen sowie die starken nuklearen Wechselwirkungen, die zwischen ihnen auftreten, zu beschreiben. Diese Gleichungen werden aus der " Quantenchromodynamik " als QCD bezeichnet. Die Genauigkeit der Gleichungen kann auf verschiedene Arten überprüft werden, einschließlich der Messung der Anzahl der Partikel, die am Large Hadron Collider auftreten. Durch Einsetzen der QCD-Gleichungen in einen Computer und Starten der Berechnungen der Eigenschaften von Protonen und Neutronen und anderen ähnlichen Partikeln (mit dem allgemeinen Namen „Hadronen“) erhalten wir Vorhersagen über die Eigenschaften dieser Partikel, die den in der realen Welt gemachten Beobachtungen sehr nahe kommen. Wir haben daher Grund zu der Annahme, dass die QCD-Gleichungen nicht lügen und dass unser Wissen über Protonen und Neutronen auf den richtigen Gleichungen basiert. Aber nur die richtigen Gleichungen zu haben, reicht nicht aus, weil:

• Einfache Gleichungen können sehr komplexe Lösungen haben.
• Manchmal ist es unmöglich, komplexe Lösungen auf einfache Weise zu beschreiben.

Soweit wir das beurteilen können, ist dies bei Nukleonen der Fall: Dies sind komplexe Lösungen für einfache QCD-Gleichungen, und es ist nicht möglich, sie mit ein paar Worten oder Bildern zu beschreiben.

Aufgrund der internen Komplexität der Nukleonen müssen Sie als Leser eine Entscheidung treffen: Wie viel möchten Sie über die beschriebene Komplexität lernen? Egal wie weit Sie gehen, es wird Ihnen höchstwahrscheinlich keine Befriedigung bringen: Je mehr Sie herausfinden, desto verständlicher wird das Thema für Sie, aber die endgültige Antwort bleibt dieselbe - das Proton und das Neutron sind sehr komplex. Ich kann Ihnen drei Ebenen des Verständnisses mit einer Detailverbesserung anbieten. Sie können nach jedem Level anhalten und zu anderen Themen wechseln, oder Sie können bis zum letzten tauchen. In Bezug auf jede Ebene stellen sich Fragen, deren Antworten ich teilweise in der nächsten geben kann, aber neue Antworten werfen neue Fragen auf. Letztendlich kann ich Sie - wie in professionellen Diskussionen mit Kollegen und fortgeschrittenen Studenten - nur auf die Daten verweisen, die in realen Experimenten erhalten wurden, auf verschiedene einflussreiche theoretische Argumente und Computersimulationen.

Erste Ebene des Verständnisses

Woraus bestehen Protonen und Neutronen?


Abb. 1: eine stark vereinfachte Version von Protonen, die nur aus zwei oberen Quarks und einem unteren Quark bestehen, und Neutronen, die nur aus zwei unteren Quarks und einem oberen bestehen

Um die Sache zu vereinfachen, weisen viele Bücher, Artikel und Websites darauf hin, dass Protonen aus drei Quarks (zwei oberen und einem unteren) bestehen und so etwas wie Reis zeichnen. 1. Das Neutron ist das gleiche und besteht nur aus einem oberen und zwei unteren Quarks. Dieses einfache Bild zeigt, was einige Wissenschaftler vor allem in den 1960er Jahren glaubten. Es wurde jedoch bald klar, dass dieser Standpunkt so stark vereinfacht wurde, dass er nicht mehr richtig war.

Aus komplexeren Informationsquellen werden Sie feststellen, dass Protonen aus drei Quarks (zwei oberen und einem unteren) bestehen, die von Gluonen zusammengehalten werden - und möglicherweise erscheint ein Bild ähnlich dem in Abb. 2, wo Gluonen in Form von Federn oder Fäden gezogen werden, die Quarks halten. Neutronen sind die gleichen, mit nur einem oberen und zwei unteren Quark.


Abb. 2: Verbesserung von Abb. 1 aufgrund der Betonung der wichtigen Rolle einer starken nuklearen Wechselwirkung, die Quarks in einem Proton enthält

Dies ist keine so schlechte Art, Nukleonen zu beschreiben, da sie die wichtige Rolle einer starken nuklearen Wechselwirkung hervorhebt, die Quarks in einem Proton aufgrund von Gluonen (genau wie ein Photon, ein Teilchen, aus dem Licht besteht) mit elektromagnetischer Wechselwirkung verbunden ist. Das ist aber auch verwirrend, weil es nicht wirklich erklärt, was Gluonen sind und was sie tun.

Es gibt Gründe, weiterzumachen und Dinge zu beschreiben, wie ich es in anderen Artikeln getan habe: Ein Proton besteht aus drei Quarks (zwei oberen und einem unteren), einem Haufen Gluonen und Bergen von Quark-Antiquark-Paaren (hauptsächlich sind dies die oberen und unteren Quarks, aber es gibt mehrere komisch). Sie fliegen alle mit sehr hoher Geschwindigkeit hin und her (nähern sich der Lichtgeschwindigkeit); Dieses gesamte Set wird durch starke nukleare Interaktion an Ort und Stelle gehalten. Ich habe dies in Abb. 1 demonstriert. 3. Die Neutronen sind wieder gleich, aber mit einem oberen und zwei unteren Quarks; Der zugehörige Quark ist durch einen Pfeil gekennzeichnet.


Abb. 3: ein realistischeres, wenn auch immer noch unvollkommenes Bild von Protonen und Neutronen

Diese Quarks, Antiquarks und Gluonen rasen nicht nur wild hin und her, sondern kollidieren auch miteinander und verwandeln sich durch Prozesse wie Partikelvernichtung (bei denen sich ein Quark und ein Antiquark des gleichen Typs in zwei Gluonen verwandeln oder umgekehrt) oder umgekehrt Absorption und Emission von Gluon (bei dem ein Quark und ein Gluon kollidieren und einen Quark und zwei Gluonen erzeugen können oder umgekehrt).

Was diese drei Beschreibungen gemeinsam haben:

• Die beiden oberen Quarks und der untere Quark (plus etwas anderes) haben ein Proton.
• Ein oberer Quark und zwei untere Quarks (plus etwas anderes) haben ein Neutron.
• "Etwas anderes" für Neutronen fällt mit "etwas anderes" für Protonen zusammen. Das heißt, Nukleonen haben „etwas anderes“.
• Ein kleiner Massenunterschied zwischen dem Proton und dem Neutron tritt aufgrund des Massenunterschieds zwischen dem unteren Quark und dem oberen Quark auf.

Und seit:

• in den oberen Quarks beträgt die elektrische Ladung 2/3 e (wobei e die Protonenladung ist, -e die Elektronenladung ist),
• in niedrigeren Quarks beträgt die Ladung -1 / 3e,
• Gluonen haben eine Ladung von 0,
• Jeder Quark und sein entsprechender Antiquark haben eine Gesamtladung von 0 (zum Beispiel hat der Anti-Low-Quark eine Ladung von + 1 / 3e, so dass der untere Quark und der untere Antiquark eine Ladung von –1/3 e +1/3 e = 0 haben).

Jede Figur bezieht die elektrische Ladung eines Protons auf die Darstellung der beiden oberen und eines unteren Quarks, und „etwas anderes“ addiert sich zur Ladung 0. Auf die gleiche Weise hat das Neutron aufgrund eines oberen und zweier unterer Quarks eine Nullladung:

• die elektrische Gesamtladung des Protons beträgt 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e,
• Die elektrische Gesamtladung des Neutrons beträgt 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e = 0.

Diese Beschreibungen unterscheiden sich im Folgenden:

• wie viel "etwas anderes" im Nukleon,
• Was macht es dort?
• wo die Masse und Energie der Masse vom Nukleon kommt (E = mc ² , die dort vorhandene Energie, auch wenn das Teilchen in Ruhe ist).

Da der größte Teil der Masse eines Atoms und damit aller gewöhnlichen Materie in Protonen und Neutronen enthalten ist, ist der letzte Punkt für ein korrektes Verständnis unserer Natur äußerst wichtig.

Abb. 1 zeigt an, dass Quarks tatsächlich ein Drittel des Nukleons darstellen - ungefähr so ​​wie ein Proton oder Neutron ein Viertel des Heliumkerns oder 1/12 des Kohlenstoffkerns darstellt. Wenn dieses Bild wahr wäre, würden sich die Quarks im Nukleon relativ langsam bewegen (mit Geschwindigkeiten, die viel niedriger als das Licht sind), wobei relativ schwache Wechselwirkungen zwischen ihnen wirken (wenn auch mit einer starken Kraft, die sie an Ort und Stelle hält). Die Masse des oberen und unteren Quarks würde dann in der Größenordnung von 0,3 GeV / s ^{2 liegen} , etwa ein Drittel der Masse des Protons. Aber dieses einfache Bild und die ihnen auferlegten Ideen sind einfach falsch.

Abb. 3. gibt eine völlig andere Vorstellung von einem Proton als einem Kessel von Partikeln, die mit Lichtgeschwindigkeit nahe darin huschen. Diese Teilchen kollidieren miteinander und bei diesen Kollisionen vernichten sich einige von ihnen, während andere an ihrer Stelle entstehen. Gluonen haben keine Masse, die Massen der oberen Quarks liegen in der Größenordnung von 0,004 GeV / s ² und die unteren in der Größenordnung von 0,008 GeV / s ² sind hunderte Male kleiner als das Proton. Woher die Protonenmassenenergie kommt, ist eine komplexe Frage: Ein Teil davon stammt aus der Massenenergie von Quarks und Antiquarks, ein Teil aus der Bewegungsenergie von Quarks, Antiquarks und Gluonen und ein Teil (möglicherweise positiv, möglicherweise negativ) aus Energie, die in einer starken nuklearen Wechselwirkung gespeichert ist. Quarks, Antiquarks und Gluonen zusammenhalten.

In gewisser Weise ist Abb. 2 versucht den Unterschied zwischen Abb. 1 und Abb. 3. Es vereinfacht Abb. 3, Entfernen vieler Quark-Antiquark-Paare, die im Prinzip als kurzlebig bezeichnet werden können, da sie ständig entstehen und verschwinden und nicht notwendig sind. Es entsteht jedoch der Eindruck, dass Gluonen in Nukleonen ein direkter Bestandteil der starken nuklearen Wechselwirkung sind, die Protonen enthält. Und sie erklärt nicht, woher die Masse des Protons kommt.

In Abb. 1 gibt es einen weiteren Nachteil, abgesehen von den schmalen Rahmen des Protons und des Neutrons. Einige der Eigenschaften anderer Hadronen, beispielsweise Pion und p-Meson, werden nicht erklärt . Reis hat die gleichen Probleme. 2.

Diese Einschränkungen haben dazu geführt, dass meine Schüler und auf meiner Website ein Bild mit Reis geben. 3. Aber ich möchte warnen, dass sie auch viele Einschränkungen hat, die ich später betrachten werde.

Es ist erwähnenswert, dass die extreme Komplexität der Struktur, die implizite Abb. 3 würde man von einem Objekt erwarten, das von einer so starken Kraft wie einer starken nuklearen Wechselwirkung zusammengehalten wird. Und noch etwas: Drei Quarks (zwei obere und einer untere am Proton), die nicht zur Gruppe der Antiquark-Quarkpaare gehören, werden oft als "Valenzquarks" bezeichnet, und Antiquark-Quarkpaare werden oft als "Meer von Quarkpaaren" bezeichnet. Eine solche Sprache ist in vielen Fällen technisch praktisch. Aber es gibt den falschen Eindruck, dass man, wenn man in das Proton schauen und einen bestimmten Quark betrachten könnte, sofort sagen könnte, ob es Teil des Meeres oder der Valenz ist. Dies ist nicht möglich, es gibt einfach keinen solchen Weg.

Protonenmasse und Neutronenmasse

Da die Massen von Proton und Neutron so ähnlich sind und sich Proton und Neutron nur darin unterscheiden, dass der obere Quark durch den unteren ersetzt wird, ist es wahrscheinlich, dass ihre Massen auf dieselbe Weise bereitgestellt werden, aus derselben Quelle stammen und ihr Unterschied ein geringfügiger Unterschied zwischen dem oberen und dem unteren Quark ist . Die drei gezeigten Figuren zeigen jedoch das Vorhandensein von drei sehr unterschiedlichen Ansichten über den Ursprung der Protonenmasse.

Abb. 1 zeigt an, dass die oberen und unteren Quarks einfach 1/3 der Masse des Protons und des Neutrons ausmachen: in der Größenordnung von 0,313 GeV / s ² oder aufgrund der Energie, die benötigt wird, um die Quarks im Proton zu halten. Und da der Unterschied zwischen den Massen des Protons und des Neutrons einen Bruchteil eines Prozent beträgt, sollte der Unterschied zwischen den Massen des oberen und unteren Quarks auch einen Bruchteil eines Prozent betragen.

Abb. 2 ist weniger klar. Welcher Teil der Protonenmasse ist auf Gluonen zurückzuführen? Im Prinzip folgt jedoch aus der Figur, dass der größte Teil der Protonenmasse immer noch aus der Masse der Quarks stammt, wie in Abb. 1.

Abb. 3 spiegelt einen subtileren Ansatz wider, wie die Protonenmasse tatsächlich erscheint (da wir direkt durch Computerberechnungen des Protons und nicht direkt mit anderen mathematischen Methoden überprüfen können). Es unterscheidet sich sehr von den in Abb. 1 und 2, und es stellt sich heraus, dass es nicht so einfach ist.

Um zu verstehen, wie dies funktioniert, muss man nicht an die Protonenmasse m denken, sondern an ihre Massenenergie E = mc ² , die mit der Masse verbundene Energie. Die konzeptionell korrekte Frage lautet nicht „Woher kommt die Protonenmasse m?“. Danach können Sie E berechnen, indem Sie m mit c ² multiplizieren. Umgekehrt: „Woher kommt die Protonenmassenergie E?“. Danach können Sie die Masse m berechnen und E durch c ² dividieren .

Es ist nützlich, Beiträge zur Protonenmassenergie in drei Gruppen einzuteilen:

A) Die Energie der Masse (Ruheenergie) der darin enthaltenen Quarks und Antiquarks (Gluonen, masselose Teilchen, leisten keinen Beitrag).
B) Die Bewegungsenergie (kinetische Energie) von Quarks, Antiquarks und Gluonen.
C) Die Wechselwirkungsenergie (Bindungsenergie oder potentielle Energie), die in einer starken nuklearen Wechselwirkung (genauer gesagt in Gluonenfeldern) gespeichert ist, die das Proton enthält.

Abb. 3 zeigt an, dass sich die Teilchen im Proton mit hoher Geschwindigkeit bewegen und dass es voller masseloser Gluonen ist, so dass der Beitrag von B) größer als A) ist. Normalerweise sind in den meisten physikalischen Systemen B) und C) vergleichbar, während C) häufig negativ ist. Die Massenenergie des Protons (und des Neutrons) wird also hauptsächlich aus einer Kombination von B) und C) erhalten, und A) trägt einen kleinen Anteil bei. Daher erscheinen die Massen des Protons und des Neutrons hauptsächlich nicht aufgrund der Massen der in ihnen enthaltenen Teilchen, sondern aufgrund der Bewegungsenergien dieser Teilchen und der Energie ihrer Wechselwirkung, die mit den Gluonenfeldern verbunden sind, die die Kräfte erzeugen, die das Proton halten. In den meisten anderen uns bekannten Systemen ist die Energiebilanz unterschiedlich verteilt. Zum Beispiel dominiert in Atomen und im Sonnensystem A) und B) und C) sind viel kleiner und in ihrer Größe vergleichbar.

Zusammenfassend geben wir Folgendes an:

• Abb. 1 legt nahe, dass die Protonenmassenergie aus dem Beitrag von A) stammt.
• Abb. 2 geht davon aus, dass beide Beiträge A) und B) wichtig sind und B) einen kleinen Teil seines Anteils ausmacht.
• Abb. 3 legt nahe, dass B) und C) wichtig sind und der Beitrag von A) unbedeutend ist.

Wir wissen, dass Abb. 3. Um es zu testen, können wir Computersimulationen durchführen, und vor allem wissen wir dank verschiedener überzeugender theoretischer Argumente, dass die Masse des Protons Null ist (und alles andere so bleibt, wie es ist), wenn die Massen des oberen und unteren Quarks Null sind würde sich ändern. Offensichtlich können die Massen der Quarks keine wichtigen Beiträge zur Masse des Protons leisten.

Wenn Bild. 3 lügt nicht, die Massen von Quark und Antiquark sind sehr klein. Wie sind sie wirklich? Die Masse des oberen Quarks (sowie des Antiquarks) überschreitet nicht 0,005 GeV / s ² , was viel weniger als 0,313 GeV / s ^{2 ist} , was sich aus Abb. 1. (Die Masse des oberen Quarks ist schwer zu messen, und dieser Wert ändert sich aufgrund subtiler Effekte, so dass er viel weniger als 0,005 GeV / s ² betragen kann.) Die Masse des unteren Quarks ist ungefähr 0,004 GeV / s ² mehr als die Masse des oberen. Dies bedeutet, dass die Masse eines Quarks oder Antiquarks ein Prozent der Masse des Protons nicht überschreitet.

Bitte beachten Sie, dass dies (im Gegensatz zu Abb. 1) bedeutet, dass sich das Verhältnis der Masse des unteren Quarks zum oberen Quark nicht der Einheit nähert! Die Masse des unteren Quarks ist mindestens doppelt so groß wie die des oberen Quarks. Der Grund dafür, dass die Massen von Neutron und Proton so ähnlich sind, liegt nicht darin, dass die Massen der oberen und unteren Quarks ähnlich sind, sondern darin, dass die Massen der oberen und unteren Quarks sehr klein sind - und der Unterschied zwischen ihnen in Bezug auf die Massen von Proton und Neutron gering ist. Denken Sie daran, dass Sie zum Umwandeln eines Protons in ein Neutron nur eines seiner oberen Quarks durch das untere ersetzen müssen (Abb. 3). Dieser Ersatz reicht aus, um das Neutron etwas schwerer als das Proton zu machen und seine Ladung von + e auf 0 zu ändern.

Übrigens hat die Tatsache, dass verschiedene Teilchen in einem Proton miteinander kollidieren und ständig erscheinen und verschwinden, keinen Einfluss auf die Dinge, über die wir sprechen - Energie wird bei jeder Kollision gespeichert. Die Energie der Masse und die Bewegungsenergie von Quarks und Gluonen können sich ebenso ändern wie die Energie ihrer Wechselwirkung, aber die Gesamtenergie des Protons ändert sich nicht, obwohl sich alles in ihm ständig ändert. So bleibt die Masse des Protons trotz seines inneren Wirbels konstant.

An diesem Punkt können Sie die empfangenen Informationen anhalten und aufnehmen. Erstaunlich! Fast die gesamte in gewöhnlicher Materie enthaltene Masse stammt aus der Masse der Nukleonen in Atomen. Und der größte Teil dieser Masse stammt aus dem Chaos, das Protonen und Neutronen innewohnt - aus der Energie der Bewegung von Quarks, Gluonen und Antiquarks in Nukleonen und aus der Energie der Arbeit starker nuklearer Wechselwirkungen, die das Nukleon im gesamten Zustand halten. Ja, unser Planet, unser Körper, unser Atem sind das Ergebnis einer so ruhigen und bis vor kurzem unvorstellbaren Menge.