Nucleon - Nucleon

Um núcleo atômico é mostrado aqui como um feixe compacto de dois tipos de núcleos, prótons (vermelho) e nêutrons (azul). Nesta foto, os prótons e nêutrons são mostrados como distintos, que é a visão convencional em química , por exemplo. Mas em um núcleo real, conforme entendido pela física nuclear moderna , os núcleons são parcialmente deslocalizados e se organizam de acordo com as leis da cromodinâmica quântica .

Em química e física , um nucléon é um próton ou um nêutron , considerado em seu papel como componente de um núcleo atômico . O número de núcleos em um núcleo define o número de massa de um isótopo (número do núcleo) .

Até a década de 1960, pensava-se que os núcleons eram partículas elementares , não compostas de partes menores. Agora, eles são conhecidos por serem partículas compostas , feitas de três quarks unidos pela forte interação . A interação entre dois ou mais nucleons é chamada de interação internucleon ou força nuclear , que também é causada, em última instância, pela interação forte. (Antes da descoberta dos quarks, o termo "interação forte" referia-se apenas às interações internucleon.)

Os núcleos ficam na fronteira onde a física das partículas e a física nuclear se sobrepõem. A física de partículas, particularmente a cromodinâmica quântica , fornece as equações fundamentais que descrevem as propriedades dos quarks e da interação forte. Essas equações descrevem quantitativamente como os quarks podem se ligar em prótons e nêutrons (e todos os outros hádrons ). No entanto, quando vários núcleos são montados em um núcleo atômico ( nuclídeo ), essas equações fundamentais tornam-se muito difíceis de resolver diretamente (consulte a rede QCD ). Em vez disso, os nuclídeos são estudados na física nuclear , que estuda os núcleos e suas interações por aproximações e modelos, como o modelo de camada nuclear . Esses modelos podem descrever com sucesso as propriedades do nuclídeo, como, por exemplo, se um determinado nuclídeo sofre decaimento radioativo ou não .

O próton e o nêutron estão em um esquema de categorias, sendo ao mesmo tempo férmions , hádrons e bárions . O próton carrega uma carga líquida positiva , e o nêutron carrega uma carga líquida zero; a massa do próton é apenas cerca de 0,13% menor que a do nêutron. Assim, eles podem ser vistos como dois estados do mesmo nucleon e, juntos, formam um dupleto de isospin ( I = 1/2) No espaço isospin, nêutrons podem ser transformados em prótons e, inversamente, por simetrias SU (2) . Esses nucleons são afetados igualmente pela interação forte, que é invariante sob rotação no espaço isospin. De acordo com o teorema de Noether , a isospin é conservada em relação à interação forte.

Visão geral

Propriedades

Composição de quark de um nucleon
Próton
Próton (
p
):
você

você

d
Nêutron
Neutron (
n
):
você

d

d
Antiproton
Antipróton (
p
):
você

você

d
Antineutron
Antineutron (
n
):
você

d

d
Um próton (p) é composto de dois quarks up (u) e um quark down (d): uud. Um nêutron (n) tem um quark up (u) e dois quarks down (d): udd. Um antipróton (
p
) tem dois antiquarks (
você
) e um antiquark down (
d
):
você

você

d
. Um antineutron (
n
) tem um antiquark (
você
) e dois antiquarks (
d
):
você

d

d
. A carga de cor ( atribuição de cor ) de quarks individuais é arbitrária, mas todas as três cores (vermelho, verde, azul) devem estar presentes.

Prótons e nêutrons são mais conhecidos em seu papel como núcleons, isto é, como componentes dos núcleos atômicos, mas também existem como partículas livres. Nêutrons livres são instáveis, com meia-vida de cerca de 13 minutos, mas têm aplicações importantes (ver radiação de nêutrons e espalhamento de nêutrons ). Prótons não ligados a outros núcleos são os núcleos dos átomos de hidrogênio quando ligados a um elétron ou - se não ligados a nada - são íons ou raios cósmicos.

Tanto o próton quanto o nêutron são partículas compostas , o que significa que cada um é composto de partes menores, a saber, três quarks cada; embora antes se pensasse assim, nenhum dos dois é uma partícula elementar . Um próton é composto de dois quarks up e um quark down , enquanto o nêutron tem um quark up e dois quarks down. Os quarks são mantidos juntos pela força forte , ou de forma equivalente, pelos glúons , que medeiam a força forte no nível do quark.

Um quark up tem carga elétrica ++2/3 e , e um quark down tem carga -+1/3 e , então as cargas elétricas somadas de prótons e nêutrons são + e e 0, respectivamente. Assim, o nêutron tem carga 0 (zero) e, portanto, é eletricamente neutro; na verdade, o termo "nêutron" vem do fato de que um nêutron é eletricamente neutro.

As massas do próton e do nêutron são semelhantes: para o próton é 1,6726 × 10 −27  kg (938,27  MeV / c 2 ), enquanto para o nêutron é1,6749 × 10 −27  kg (939,57  MeV / c 2 ); o nêutron é aproximadamente 0,13% mais pesado. A similaridade em massa pode ser explicada aproximadamente pela ligeira diferença nas massas dos quarks up e quarks down que compõem os núcleons. No entanto, uma descrição detalhada permanece um problema não resolvido na física de partículas.

O spin do núcleo é1/2, o que significa que eles são férmions e, como elétrons , estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli : não mais do que um nucleon, por exemplo, em um núcleo atômico, pode ocupar o mesmo estado quântico .

Os números quânticos isospin e spin do nucleon têm dois estados cada, resultando em quatro combinações no total. Uma partícula alfa é composta de quatro núcleos ocupando todas as quatro combinações, a saber, ela tem dois prótons (tendo spin oposto ) e dois nêutrons (também tendo spin oposto), e seu spin nuclear líquido é zero. Em núcleos maiores, os núcleos constituintes, por exclusão de Pauli, são compelidos a ter movimento relativo , o que também pode contribuir para o spin nuclear por meio do número quântico orbital . Eles se espalham em camadas nucleares análogas às camadas de elétrons conhecidas da química.

O momento magnético de um próton, denotado μ p , é2,79  μ N (onde μ N representa a unidade de medida da escala atômica chamada de magneto nuclear ). O momento magnético de um nêutron é μ n =-1,91  μ N . Esses parâmetros também são importantes na varredura de NMR / MRI .

Estabilidade

Um nêutron em estado livre é uma partícula instável, com meia-vida de cerca de dez minutos. Sofre
β-
decaimento
(um tipo de decaimento radioativo ) transformando-se em um próton enquanto emite um elétron e um antineutrino de elétron . (Veja o artigo Neutron para mais discussão sobre a decadência de nêutrons.) Um próton por si só é considerado estável, ou pelo menos seu tempo de vida é muito longo para ser medido. Esta é uma discussão importante na física de partículas (veja Decaimento de prótons ).

Por outro lado, dentro de um núcleo, prótons e nêutrons combinados (núcleons) podem ser estáveis ​​ou instáveis ​​dependendo do nuclídeo , ou espécie nuclear. Dentro de alguns nuclídeos, um nêutron pode se transformar em um próton (produzindo outras partículas) como descrito acima; o inverso pode acontecer dentro de outros nuclídeos, onde um próton se transforma em um nêutron (produzindo outras partículas) através de
β+
decaimento
ou captura de elétrons . E ainda dentro de outros nuclídeos, prótons e nêutrons são estáveis ​​e não mudam de forma.

Antinucleons

Ambos os núcleos têm antipartículas correspondentes : o antipróton e o antinêutron , que têm a mesma massa e carga oposta que o próton e o nêutron, respectivamente, e interagem da mesma maneira. (Em geral, acredita-se que isso seja exatamente verdade, devido à simetria do CPT . Se houver uma diferença, é muito pequena para ser medida em todos os experimentos até o momento.) Em particular, os antinúcleos podem se ligar a um "antinúcleo". Até agora, os cientistas criaram núcleos de antideutério e anti-hélio-3.

Tabelas de propriedades detalhadas

Nucleons

Núcleos ( I =1/2; S = C = B = 0)

Nome da partícula
Símbolo
Conteúdo Quark
Massa I 3 J P Q Momento magnético ( μ N ) Vida média Normalmente decai para
próton
p
/
p+
/
N+

você

você

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) estábulo não observado
nêutron
n
/
n0
/
N0

você

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
antipróton
p
/
p-
/
N-

você

você

d
938,272 013 (23)  MeV / c 2 1,007 276 466 77 (10)  Da -+1/2 1/2+ -1  e -2,793 (6) estábulo não observado
antineutron
n
/
n0
/
N0

você

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 As massas do próton e do nêutron são conhecidas com uma precisão muito maior emdaltons(Da) do que em MeV /c2devido à forma como são definidas. O fator de conversão usado é 1 Da = 931,494 028 (23) MeV / c 2 .

^ b Pelo menos 1035anos. Vejadecaimento de prótons.

^ c Paranêutrons livres; nos núcleos mais comuns, os nêutrons são estáveis.

As massas de suas antipartículas são consideradas idênticas, e nenhum experimento refutou isso até agora. Os experimentos atuais mostram que qualquer diferença relativa entre as massas do próton e do antipróton deve ser menor que2 × 10 -9 e a diferença entre as massas de nêutrons e antinêutrons é da ordem de(9 ± 6) × 10 −5  MeV / c 2 .

Testes de invariância próton-antipróton CPT
Teste Fórmula Resultado PDG
Massa <2 × 10 −9
Razão carga-massa 0,999 999 999 91 (9)
Razão carga-massa-massa (−9 ± 9) × 10 −11
Cobrar <2 × 10 −9
Carga de elétron <1 × 10 −21
Momento magnético (−0,1 ± 2,1) × 10 −3

Ressonâncias de núcleo

As ressonâncias do nucleon são estados excitados das partículas do nucleon, muitas vezes correspondendo a um dos quarks tendo um estado de spin invertido , ou com momento angular orbital diferente quando a partícula decai. Apenas ressonâncias com classificação de 3 ou 4 estrelas no Particle Data Group (PDG) estão incluídas nesta tabela. Devido à sua vida útil extraordinariamente curta, muitas propriedades dessas partículas ainda estão sob investigação.

O formato do símbolo é dado como N ( m ) L IJ , onde m é a massa aproximada da partícula, L é o momento angular orbital (na notação espectroscópica ) do par núcleo-meson, produzido quando ele decai, e I e J são o isospin e o momento angular total da partícula, respectivamente. Uma vez que os núcleons são definidos como tendo1/2isospin, o primeiro número sempre será 1 e o segundo número sempre será ímpar. Ao discutir ressonâncias de núcleos, às vezes o N é omitido e a ordem é invertida, na forma L IJ ( m ); por exemplo, um próton pode ser denotado como "N (939) S 11 " ou "S 11 (939)".

A tabela abaixo lista apenas a ressonância de base; cada entrada individual representa 4  bárions : partículas de ressonância de 2 núcleos e suas 2 antipartículas. Cada ressonância existe em uma forma com uma carga elétrica positiva ( Q ), com uma composição de quark de
você

você

d
como o próton, e uma forma neutra, com uma composição de quark de
você

d

d
como o nêutron, bem como as antipartículas correspondentes com composições de antiquark de
você

você

d
e
você

d

d
respectivamente. Uma vez que não contêm quarks estranho , charme , inferior ou superior , essas partículas não possuem estranheza , etc.

A tabela lista apenas as ressonâncias com um isospin =1/2. Para ressonâncias com isospin =3/2, consulte o artigo sobre bárions Delta .

Ressonâncias do núcleo com I =1/2
Símbolo  J P  Média de massa PDG
( MeV / c 2 )
Largura total
(MeV / c 2 )
Posição do pólo
(parte real)
Posição do pólo
(−2 × parte imaginária)
Decaimentos comuns
i / Γ> 50%)
N (939) P 11
1/2+ 939
N (1440) P 11

(a ressonância Roper )
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
ou


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
ou


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
ou


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 (2220) 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%)

O núcleo P 11 (939) representa o estado excitado de um próton ou nêutron normal. Tal partícula pode ser estável quando em um núcleo atômico, por exemplo, no lítio-6 .

Classificação do modelo Quark

No modelo de quark com sabor SU (2) , os dois núcleos fazem parte do dupleto de estado fundamental. O próton possui conteúdo quark de uud , e o nêutron, udd . No sabor SU (3) , eles fazem parte do octeto de estado fundamental ( 8 ) do spin -1/2 bárions , conhecido como Via Óctupla . Os outros membros desta octeto são os híperons estranho isotriplet
Σ+
,
Σ0
,
Σ-
, a
Λ
e o estranho isodoublet
Ξ0
,
Ξ-
. Pode-se estender este multipleto no sabor SU (4) (com a inclusão do quark charme ) ao estado fundamental 20 -plet, ou ao sabor SU (6) (com a inclusão dos
quarks superior e inferior ) ao solo -state 56 -plet.

O artigo sobre isospin fornece uma expressão explícita para as funções de onda do nucleon em termos dos estados próprios do sabor de quark.

Modelos

Embora se saiba que o núcleo é formado por três quarks, a partir de 2006 não se sabe como resolver as equações de movimento para a cromodinâmica quântica . Assim, o estudo das propriedades de baixa energia do núcleon são realizados por meio de modelos. A única abordagem de primeiros princípios disponível é tentar resolver as equações de QCD numericamente, usando a rede QCD . Isso requer algoritmos complicados e supercomputadores muito poderosos . No entanto, também existem vários modelos analíticos:

Modelos Skyrmion

O skyrmion modela o nucleon como um soliton topológico em um campo pion SU (2) não linear . A estabilidade topológica do skyrmion é interpretada como a conservação do número baryon , ou seja, a não decadência do nucleon. A densidade numérica do enrolamento topológico local é identificada com a densidade numérica baryon local do nucleon. Com o campo vetorial isospin pion orientado na forma de um espaço hedgehog , o modelo é prontamente solucionável e, portanto, às vezes é chamado de modelo hedgehog . O modelo hedgehog é capaz de prever parâmetros de baixa energia, como massa do núcleo, raio e constante de acoplamento axial , a aproximadamente 30% dos valores experimentais.

Modelo de bolsa do MIT

O modelo de bolsa do MIT confina quarks e glúons interagindo por meio da cromodinâmica quântica a uma região do espaço determinada pelo equilíbrio da pressão exercida pelos quarks e glúons contra uma pressão hipotética exercida pelo vácuo em todos os campos quânticos coloridos. A aproximação mais simples do modelo confina três quarks não interagentes em uma cavidade esférica, com a condição de contorno de que a corrente do vetor quark desaparece no contorno. O tratamento não interagente dos quarks é justificado pelo apelo à ideia de liberdade assintótica , enquanto a condição de limite rígido é justificada pelo confinamento do quark .

Matematicamente, o modelo se assemelha vagamente ao de uma cavidade de radar , com soluções para a equação de Dirac representando soluções para as equações de Maxwell , e a condição de contorno de corrente de vetor de desaparecimento representando as paredes de metal condutor da cavidade do radar. Se o raio da bolsa for definido como o raio do nucleon, o modelo da bolsa prevê uma massa do nucleon que está dentro de 30% da massa real.

Embora o modelo de saco básico não forneça uma interação mediada por píons, ele descreve de forma excelente as forças nucleon-nucleon através do mecanismo de canal s de 6 quark bag usando a matriz P.

Modelo de bolsa quiral

O modelo de bolsa quiral mescla o modelo de bolsa MIT e o modelo skyrmion . Neste modelo, um buraco é feito no meio do skyrmion e substituído por um modelo de bolsa. A condição de contorno é fornecida pelo requisito de continuidade da corrente do vetor axial através do contorno da bolsa.

Muito curiosamente, a parte ausente do número do enrolamento topológico (o número bárion) do buraco perfurado no skyrmion é exatamente composta pelo valor de expectativa de vácuo diferente de zero (ou assimetria espectral ) dos campos de quark dentro do saco. A partir de 2017, esse trade-off notável entre a topologia e o espectro de um operador não tem nenhum fundamento ou explicação na teoria matemática dos espaços de Hilbert e sua relação com a geometria .

Várias outras propriedades do saco quiral são notáveis: Ele fornece um melhor ajuste às propriedades do núcleo de baixa energia, dentro de 5–10%, e estas são quase completamente independentes do raio do saco quiral, contanto que o raio seja menor do que o raio do nucleon. Esta independência do raio é referido como o princípio do gato Cheshire , após o desvanecimento de Lewis Carroll 's Cheshire Cat apenas para seu sorriso. Espera-se que uma solução de primeiros princípios das equações de QCD demonstre uma dualidade semelhante de descrições de quark-píons.

Veja também

Notas de rodapé

Referências

Listagens de partículas

Leitura adicional