Nucleon - Nucleon
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
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
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+ | 0 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+ | 0 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 .
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 .
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 (Γ 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
- Thomas, AW; Weise, W. (2001). A Estrutura do Núcleo . Berlim, DE: Wiley-WCH. ISBN 3-527-40297-7.
- Brown, G .E .; Jackson, AD (1976). The Nucleon – Nucleon Interaction . Publicação da Holanda do Norte . ISBN 978-0-7204-0335-0.
- Nakamura, N .; Grupo de dados de partículas ; et al. (2011). "Review of Particle Physics" . Journal of Physics L . 37 (7): 075021. Bibcode : 2010JPhG ... 37g5021N . doi : 10.1088 / 0954-3899 / 37 / 7A / 075021 .