Нуклон

Еще немного о «кирпичиках» атомного ядра

Рассчитать, сколько нуклонов в ядре того или иного химического элемента или его изотопа, несложно. Для этого необходимы две вещи: таблица Менделеева и калькулятор, хотя можно посчитать и в уме. Пример – два распространенных изотопа урана: 235 и 238. Эти цифры обозначают атомную массу. Порядковый же номер урана — 92, он всегда обозначает заряд ядра.

Как известно, нуклоны в ядре атома могут быть либо положительно заряженными протонами, либо нейтронами такой же массы, но не имеющими заряда. Порядковый номер 92 обозначает число в ядре протонов. Количество нейтронов вычисляется простым отниманием:

• — уран 235, число нейтронов = 235 – 92 = 143;
• — уран 238, число нейтронов = 238 – 92 = 146.

А сколько нуклонов можно собрать воедино за раз? Считается, что на определенном этапе жизни звезд с достаточной массой, когда термоядерная реакция больше не в силах сдерживать силу гравитации, давление в недрах светила возрастает настолько, что «приклеивает» электроны к протонам. В результате заряд становится нулевым, и пара протон-электрон становится нейтроном. Полученное вещество, состоящее из «прессованных» нейтронов, чрезвычайно плотное.

Звезда весом в наше Солнце превращается в шар диаметром в пару десятков километров. Чайная ложка же такой «нейтронной каши» могла бы весить на Земле несколько сотен тонн.

Модели

Хотя известно, что нуклон состоит из трех кварков, по состоянию на 2006 г. неизвестно, как решить уравнения движения для квантовой хромодинамики . Таким образом, исследование низкоэнергетических свойств нуклона проводится с помощью моделей. Единственный доступный подход из первых принципов — это попытка решить уравнения КХД численно, используя решеточную КХД . Это требует сложных алгоритмов и очень мощных суперкомпьютеров . Однако существует также несколько аналитических моделей:

Модели Skyrmion

В скирмионе модель нуклонная как топологический солитон в нелинейной SU (2) пион поле. Топологическая устойчивость скирмиона интерпретируется как сохранение барионного числа , то есть нераспад нуклона. Локальная плотность топологической намотки отождествляется с локальной плотностью барионного числа нуклона. С векторным полем изоспина пиона, ориентированным в форме пространства ежа , модель легко разрешима, поэтому ее иногда называют моделью ежа . Модель ежа может предсказывать низкоэнергетические параметры, такие как масса нуклона, радиус иосевая константа связи примерно до 30% от экспериментальных значений.

Модель сумки MIT

Модель мешка MIT ограничивает кварки и глюоны, взаимодействующие посредством квантовой хромодинамики, в области пространства, определяемой путем уравновешивания давления, оказываемого кварками и глюонами, против гипотетического давления, оказываемого вакуумом на все цветные квантовые поля. . Простейшее приближение к модели ограничивает три невзаимодействующих кварка сферической полостью с граничным условием, что вектор кваркового тока обращается в нуль на границе. Невзаимодействие кварков оправдано обращением к идее асимптотической свободы , тогда как жесткое граничное условие оправдано удержанием кварков .

Математически модель отдаленно напоминает модель резонатора радара , с решениями уравнения Дирака, стоящими за решениями уравнений Максвелла , и граничным условием исчезающего вектора тока, стоящим за проводящими металлическими стенками полости радара. Если радиус мешка установлен равным радиусу нуклона, модель мешка предсказывает массу нуклона, которая находится в пределах 30% от реальной массы.

Хотя базовая модель мешка не обеспечивает взаимодействия, опосредованного пионами, она прекрасно описывает нуклон-нуклонные силы через механизм s- канала 6 кварковых мешков с использованием P- матрицы.

Модель хирального мешка

Модель хирального мешка объединяет модель мешка MIT и модель скирмиона . В этой модели в середине скирмиона пробивается отверстие, которое заменяется моделью мешка. Граничное условие обеспечивается требованием непрерывности аксиального векторного тока через границу мешка.

Очень любопытно, что недостающая часть топологического числа намотки (барионного числа) дыры, пробитой в скирмионе, в точности образована ненулевым значением математического ожидания вакуума (или спектральной асимметрией ) кварковых полей внутри мешка. По состоянию на 2017 год этот замечательный компромисс между топологией и спектром оператора не имеет никакого обоснования или объяснения в математической теории гильбертовых пространств и их связи с геометрией .

Следует отметить несколько других свойств хирального мешка: он обеспечивает лучшее соответствие свойствам низкоэнергетических нуклонов с точностью до 5–10%, и они почти полностью не зависят от радиуса хирального мешка, если радиус меньше чем радиус нуклона. Эта независимость радиуса упоминается как принцип Чеширского кота , после того , как угасание Льюиса Кэрролла «s Чеширского Кота , чтобы только его улыбка. Ожидается, что решение уравнений КХД из первых принципов продемонстрирует аналогичную двойственность кварк-пионных описаний.

По гипотезе предполагается, что

а) каждая вершина кубического полунуклона занята отрицательно заряженной частицей; и это возможно при некотором усложнении его структуры, но с сохранением его в целом кубической формы;

б) полунуклоны протона соединены как бы одной положительно заряженной частицей, как показано на рис. 4а

Не могу не обратить внимание читателя на следующее совпадение (если это – совпадение). У П

Колпакова 3 приведены экспериментальные данные (см. рис. 119 а) распределения электрического заряда для протона, полученные группой Р. Хофштадтера при исследовании упругого рассеяния электронов на нуклонах. Чтобы на этот счет согласиться с автором этих строк, достаточно принять, что нуль на рис. 119 совпадает с «точечным» положительным зарядом протона, когда протон находится в положении, как показано на рис. 4 а; или его полунуклоны расположены один за другим по направлению движения электронов;

в) полунуклоны нейтрона стянуты (соединены) ребрами с помощью осевого стержня-керна (сердцевины), состоящего из равного числа отрицательно и положительно заряженных частиц, как показано на рис. 4б. Причем так, что до самых вершин полунуклонов, заряды, образующие керн, не доходят всего на одно место. Тем самым у нейтрона формируется как бы два углубления-гнезда с остронаправленными короткодействующими градиентами электростатического поля отрицательного знака.

Наличие двух таких гнезд придают нейтрону в ядре исключительно важную роль.

Примечание: на все последующие «Почему так?», тем более если это окажется действительно так, ответы придется спрашивать у Природы. Так было с таблицей Д. Менделеева, с постулатами Н. Бора и в ряде др. случаев. Интуиция. Факт, например, и то, что специалисты по математической физике на некоторые полученные ими (каким-то интуитивным путем) решения отвечают, что правильность найденного решения проверяется его подстановкой.
<< Первая < Предыдущая 2 Следующая > Последняя >>

Каковы его размеры

Знания о не будут полными, если не представить себе его элементы в масштабе. Ядро чрезвычайно мало даже по сравнению с самим атомом. Если нарисовать в своем воображении атом, например, золота в виде огромного воздушного шара диаметром в 200 метров, то его ядром будет всего-навсего… лесной орех. Но что такое нуклоны и почему они играют такую важную роль? Да хотя бы потому, что именно в них сосредоточена вся масса атома.

В гнездах кристаллической решетки атомы золота расположены достаточно плотно, поэтому расстояние между соседними «орехами» в принятом нами масштабе будет около 250-300 метров.

Как мы представляем себе строение атома

Увы, не скоро появится техника, позволяющая разглядеть частицы, составляющие атом, атомное ядро. К тому, как устроена материя, есть тысячи вопросов, также есть масса теорий строения элементарных частиц. На сегодня теорией, которая отвечает на большую часть вопросов, является планетарная

Согласно ей, вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны, удерживаемые электрическим притяжением. А что такое нуклоны? Дело в том, что ядро не монолитно, оно состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов — частиц с нулевым зарядом. Вот их-то, частицы, из которых построено атомное ядро, и принято называть нуклонами.

Откуда же взялась эта теория, если частицы так малы? К выводу о планетарной конструкции атома ученые пришли, направляя на тончайшие пластинки металлов пучки различных микрочастиц.

Протон

Ученые давно подозревали, что ядро атома – не какая-то монолитная субстанция. Уж больно бросались в глаза величины массы и заряда, растущие «ступеньками» от одного химического элемента к другому. Логичным было предположить, что существуют некие частицы с фиксированным положительным зарядом, из которых и «набираются» ядра всех атомов. Сколько нуклонов положительно заряженных имеется в ядре, таким и будет его заряд.

Предположения о сложном строении атомного ядра делались еще в период построения Менделеевым его периодической таблицы элементов. Однако технических возможностей для того, чтобы экспериментально подтвердить догадки, в то время не существовало. Только в начале 20 века Эрнестом Резерфордом был поставлен опыт, подтвердивший существование протона.

В результате воздействия на вещество излучением радиоактивных металлов время от времени появлялась частица – копия ядра атома водорода. Она имела те же вес (1,67 ∙ 10-27 кг) и атомный заряд +1.

Классификация кварковой модели

В кварковой модели с ароматом SU (2) два нуклона являются частью дублета основного состояния. Протон имеет кварковое содержание uud , а нейтрон — udd . В аромате SU (3) они являются частью октета основного состояния ( 8 ) спина —12 барионы , известные как Восьмеричный путь . Остальные члены этого октета — странный изотриплет гиперонов. Σ+, Σ, Σ—, то Λ и странный изодублет Ξ, Ξ—. Можно расширить этот мультиплет в аромате SU (4) (с включением очаровательного кварка ) до 20- плета основного состояния или до аромата SU (6) (с включением верхнего и нижнего кварков ) до основного состояния. -государство 56 -плет .

В статье об изоспине дается явное выражение для волновых функций нуклонов через собственные состояния ароматов кварков.

Выгоды России от этого

Рядом с этим, высадка астронавтов на Луну кажется каким-то детским развлечением…

Ну, честное слово, это просто несерьёзно: сравнивать втыкание флага и катание на лунном квадроцикле с получением карт поверхности и лунных недр вглубь на несколько километров.

Нет, я не умаляю планов США и Китая. Высадка на Луну — это сложная и важная задача. В итоге, её всё равно надо решать. И ещё раз: они молодцы, что этим занимаются. Действительно молодцы.

Но, одно дело — тратить бешеные деньги на ракеты сверхтяжёлого класса и высаживаться с непонятными целями. А другое — получить точные карты Луны и планировать возможный полёт уже с понятной целью и чёткими задачами. Не лететь туда почти вслепую, а знать: куда, зачем и что именно там делать.

Я уже молчу о том, сколько денег может сэкономить Россия, если просветит Луну и вдруг узнает, что там точно ничего полезного нет…

И всё это — без сверхтяжёлых носителей! Сам буксир и МПН по-отдельности выведут на орбиту двумя запусками ракет «Ангара». 35 и 20 тонн — вполне по силам «Ангаре», а там и её тяжёлая версия 5В подоспеет. Не нужен нам сейчас сверхтяж для Луны (пусть «Енисей» спокойно проектируется).

Кстати, теперь понятна оценка времени полёта «Нуклона» до Луны в 200 суток. Эта цифра часто в последнее время в Сети появляется. Насколько я пока понял, там 10 тонн МПН и ешё 10 тонн топлива (поправьте, если не так). 20 тонн нагрузки при слабых ионных движках — неудивительно, что так медленно… Для пилотируемого полёта это явно не подойдёт, а для автоматической станции — вполне нормально.

Ну, а американцы… да пусть сейчас летят: кучу денег потратят, флаг воткнут, порадуются… И я тоже порадуюсь за них. Нет, в самом деле, подогревать интерес к Космосу обязательно надо реальными делами.Высадка на Луну — это сложная технология. И они молодцы, что этим занимаются. И мы займёмся, когда определимся зачем именно оно нам нужно. А пока посмотрим, с большим удовольствием. И продолжим пилить ядерный «Нуклон»

Дополнение. Поскольку в комментах опять спрашивают об охлаждении, снова привожу ролик Арсенала c принципиальной конструкцией излучателей:

Вот такие дела… вроде бы я и интересовался этой темой, а пока не прочитал первоисточник — даже в голову не приходило, какие возможности открывает мощная электростанция в космосе. Ведь, нехватка энергии — одна из причин ограничения задач спутников лишь фотографированием и замерами.

Однозначно беру назад свои недавние слова о том, что зря журналисты упомянули Луну в качестве цели для «Нуклона». Я имел ввиду только пилотируемые полёты, а речь-то о сногсшибательных возможностях беспилотных исследований с орбиты.

Буду читать ТЗ дальше — возможности и впрямь удивительные открываются. И, как всегда, что особенно радует в таких случаях: эффективность решения. Затраты у нас на этот проект не такие уж и большие по меркам космической отрасли, а эффект должен быть просто бешеный…

Дорогие друзья, каналу очень нужна ваша поддержкаНажмите палец вверх — Вам не сложно, а автору приятно.

Это не просто буксир — это гораздо круче!

Начиная со стр. 4 интриговали слова о МПН — модуле полезной нагрузки, и постоянные упоминания об исследованиях Луны

Здесь обратило на себя внимание, что речь идёт не просто о самом буксире, а о полезной нагрузке… То есть, сразу прописано, что речь не об испытаниях буксира с номинальным грузом, а об аппарате с вполне определёнными задачами

И вскоре, на странице 10, увидел вот это:

Ещё раз: мощность модуля полезной нагрузки — 450 киловатт!!!

Вы понимаете что это такое? Я перечитал несколько раз, пока осмыслил…

То есть, здорово, когда можно с помощью ядерного буксира перемещать грузы. Но ведь, «Нуклон» — не только буксир, это одновременно ещё и мощная космическая электростанция.

Представьте, какие задачи можно решать с помощью такого энергообеспечения? Полмегаватта только лишь на полезную нагрузку… Не на перемещение, а именно на полезную конечную работу.

Интересно же не просто сам буксир в пространстве переместить, но и какую-то работу в точке назначения выполнить… А для этого нужна энергия. И чем её больше, тем выше польза от всей миссии.

Для сравнения: мощность солнечных батарей МКС — около 100 кВт (126 в начале и около 80 сейчас из-за износа). А тут — почти в 5 раз больше…

А что можно делать с такой мощью?

В голову сразу полезла куча догадок: особенно озадачивало, что если мощность полезной нагрузки известна, значит уже запланирована и конкретная задача. Но какая…

И вскоре, на страницах 14 и 15 прояснилось: не просто изучение Луны и других тел Солнечной системы, а вот это:

Вот для чего оказывается нужна такая мощность — это просвечивание Луны на несколько километров сквозь реголит! Как вам такое?

Обратите внимание на планы по изучению «пустот» внутри Луны. Сразу вспоминаются теории о странностях Луны: что она внутри полая и вообще искусственная..

Ну вот и проясним, что там на самом деле! Выясним всё, что от нас инопланетяне прячут — где у них лунная гравицапа и чем они там занимаются

А вообще, пустоты под поверхностью — это потенциальные места для лунных баз.

Ссылки

1. ^ Гриффитс, Дэвид Дж. (2008). Введение в элементарные частицы (2-е исправленное издание). ВИЛИ-ВЧ. ISBN 978-3-527-40601-2.
2. Massam, T; Muller, Th .; Righini, B .; Schneegans, M .; Зичичи, А. (1965). «Экспериментальное наблюдение образования антидейтронов». Il Nuovo Cimento . 39 (1): 10–14. Bibcode1965NCimS..39 … 10M . DOI10.1007 / BF02814251 .
3. Дорфан, Д. Э; Eades, J .; Ледерман, Л. М.; Lee, W .; Тинг, CC (июнь 1965 г.). «Наблюдение за антидейтронами». Phys. Rev. Lett . 14 (24): 1003–1006. Bibcode1965PhRvL..14.1003D . DOI10.1103 / PhysRevLett.14.1003 .

4. Р. Арсенеску; и другие. (2003). «Производство антигелия-3 при столкновении свинца со свинцом при 158 А ГэВ / c . Новый журнал физики . 5 (1): 1. Bibcode2003NJPh …. 5 …. 1A . DOI10.1088 / 1367-2630 / 5/1/301 .

5. «Литий-6. Составное резюме» . PubChem . Национальная медицинская библиотека.
6. Chodos et al. «Новая расширенная модель адронов» , Phys. Ред. D 9, 3471 (1974).
7. Chodos et al. «Барионная структура в теории мешков» , Phys. Ред. D 10, 2599 (1974).
8. ДеГранд и др. «Массы и другие параметры легких адронов» , Phys. Ред. D 12, 2060 (1975).
9. Jaffe, RL ; Низкий, FE (1979). «Связь между собственными состояниями кварковой модели и низкоэнергетическим рассеянием». Phys. Rev. D . 19 (7): 2105. Bibcode1979PhRvD..19.2105J . DOI10.1103 / PhysRevD.19.2105 .

10. Yu; Симонов, А. (1981). «Модель творожного мешка и P- матрица Яффе-Лоу Физика Письма Б . 107 (1-2): 1. Bibcode1981PhLB..107 …. 1S . DOI10.1016 / 0370-2693 (81) 91133-3 .

11. Браун, Джеральд Э .; Ро, Маннке (март 1979 г.). «Сумочка». Физика Письма Б . 82 (2): 177–180. Полномочный код1979PhLB … 82..177B . DOI10.1016 / 0370-2693 (79) 90729-9 .
12. Вепстас, Л .; Джексон, AD; Гольдхабер, А.С. (1984). «Двухфазные модели барионов и киральный эффект Казимира». Физика Письма Б . 140 (5–6): 280–284. Bibcode1984PhLB..140..280V . DOI10.1016 / 0370-2693 (84) 90753-6 .
13. Вепстас, Л .; Джексон, AD (1990). «Обоснование хирального мешка». Отчеты по физике . 187 (3): 109–143. Bibcode1990PhR … 187..109V . DOI10.1016 / 0370-1573 (90) 90056-8 .

Списки частиц

1. ^ Списки частиц —п.
2. ^ Списки частиц —п.
3. Списки частиц — Примечание о N и дельта-резонансах .
4. Списки частиц — N (1440) .
5. Списки частиц — N (1520) .
6. Списки частиц — N (1535) .
7. Списки частиц — N (1650) .
8. Списки частиц — N (1675) .
9. Списки частиц — N (1680) .
10. Списки частиц — N (1700) .
11. Списки частиц — N (1710) .
12. Списки частиц — N (1720) .
13. Списки частиц — N (2190) .
14. Списки частиц — N (2220) .
15. Списки частиц — N (2250) .