§ 9.3. Вглубь материи: от атома - к кваркам

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют электрического заряда. Эти частицы называют нуклонами: они составляют основную массу ядра, а их число и соотношение помогают описать атом.

Кварк — элементарная частица, из которой состоят некоторые другие частицы, прежде всего протоны и нейтроны. Кварки важны потому, что позволяют описать внутреннее строение нуклонов и объяснить их свойства, например заряд. Обозначения u и d — названия двух разновидностей кварков, участвующих в составе протона и нейтрона.

Адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии, которое связывает кварки внутри этих частиц. Среди адронов различают барионы и мезоны: барион состоит из трёх кварков, а мезон — из кварка и антикварка. Протон и нейтрон являются барионами, поэтому их состав можно записать через три кварка.

Лептоны — элементарные частицы, которые не состоят из кварков. К ним относятся электрон и нейтрино. Это различие нужно, чтобы не смешивать частицы, из которых составлены адроны, с частицами другого класса: например, электрон входит в атом, но не является частью его ядра.

Как это устроено

Строение вещества можно представить как последовательность уровней: атом, ядро, нуклоны и кварки. Электроны находятся в атомной оболочке, поэтому при переходе от атома к ядру их нельзя включать в состав ядра. Такое разделение объясняет, почему ядро описывают через протоны и нейтроны, а электронную оболочку — отдельно.

Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, его состав записывают uud. Нейтрон содержит один u-кварк и два d-кварка, то есть имеет состав udd. Одна замена u-кварка на d-кварк меняет свойства частицы, в том числе её электрический заряд, поэтому протон и нейтрон — разные нуклоны.

Заряд нуклона получается сложением зарядов кварков, хотя заряд каждого кварка дробный. Для протона расчёт такой: +⅔e + ⅔e − ⅓e = +e; для нейтрона: +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0. Значит, дробные заряды составляющих не мешают составной частице иметь целый суммарный заряд или быть нейтральной.

Кварки не наблюдаются поодиночке в обычных условиях, потому что входят в состав связанных частиц — адронов. Поэтому утверждение о кварках не означает, что внутри нуклона можно представить три свободные частицы, которые просто летают независимо друг от друга. Речь идёт о составных частях, связанных сильным взаимодействием; кварки исследуют по результатам взаимодействий и свойствам адронов.

Разнообразие частиц описывают, разделяя элементарные частицы и составные частицы, а также учитывая взаимодействия между ними. Кварки входят в адроны, тогда как лептоны, например электрон и нейтрино, не состоят из кварков. Такое деление помогает понять, почему электрон может находиться в атоме рядом с ядром, но не является ни нуклоном, ни составляющей адрона.

Строение атома и состав частиц

Читайте таблицу по строкам: состав показывает, из чего образован объект, а роль указывает его место в строении вещества. Строки протона и нейтрона позволяют сравнить их кварковые составы и суммарные заряды. У атома заряд зависит от соотношения числа электронов и протонов, а заряд ядра — от числа протонов.

Разбор задач

1. Ядро и частицы вокруг него

Условие. Укажите, из каких частиц состоит ядро атома и какие частицы находятся вокруг него. Чтобы ответить, сначала разделим атом на центральную часть и оболочку. Затем назовём частицы, относящиеся к каждой из них.

1. Ядро находится в центре атома и состоит из протонов и нейтронов.
2. Вокруг ядра располагаются электроны, образующие электронную оболочку.
3. Проверяем границу понятий: электрон входит в состав атома, но не в состав ядра.

Ответ. Ядро состоит из протонов и нейтронов, вокруг него находятся электроны.

2. Заряд протона

Условие. Протон имеет кварковый состав uud; заряды u-кварка и d-кварка равны соответственно +⅔e и −⅓e. Нужно определить его заряд. Запись состава подсказывает, какие слагаемые брать: два заряда u и один заряд d.

1. Записываем заряды кварков: +⅔e, +⅔e и −⅓e.
2. Складываем: +⅔e + ⅔e − ⅓e = +⅓e + ⅔e = +e.
3. Проверяем результат: получен положительный заряд, как и должно быть у протона.

Ответ. Заряд протона равен +e.

3. Частица состава udd

Условие. Частица состоит из одного u-кварка и двух d-кварков. Определите частицу, вычислите её заряд и укажите класс. Сначала сравним состав с известными нуклонами, а затем независимо проверим заряд сложением.

1. Состав udd соответствует нейтрону.
2. Складываем заряды: +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0.
3. Нейтрон образован тремя кварками, значит, относится к барионам; он также является адроном.

Ответ. Это нейтрон с нулевым зарядом, барион.

Типичные ошибки

Ошибка: считать электрон частью ядра. Она возникает из-за того, что электрон и ядро вместе составляют атом, но принадлежность к атому не означает принадлежности к ядру. Проверьте себя вопросом «Что находится в центре атома?»: ядро содержит протоны и нейтроны, а электроны находятся в оболочке.

Ошибка: приписывать отдельному кварку целый заряд протона или нейтрона. Так путают свойства составной частицы и её составляющих, хотя заряд кварка равен +⅔e или −⅓e. Для проверки выпишите заряд каждого кварка отдельно и сложите их: целый заряд получается только у нуклона как целого.

Ошибка: путать кварковый состав протона и нейтрона. Оба — барионы из трёх кварков, поэтому число частиц одинаково, но распределение разновидностей различается. Запомните соответствие uud для протона и udd для нейтрона, а затем проверьте его сложением зарядов: +e у протона и 0 у нейтрона.

Ошибка: считать, что кварки можно обнаружить свободными при обычных условиях. Такое представление возникает, если понимать состав частицы как набор независимых объектов. Проверка проста: кварки входят в связанные адроны и поодиночке в обычных условиях не наблюдаются; не следует изображать их как свободно движущиеся частицы внутри нуклона.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и ядра: необходимо различать протоны, нейтроны и электроны. При вычислении зарядов пригодятся понятие элементарного заряда и правило сложения зарядов. Дальше эта модель помогает изучать элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия, а также современные представления о строении вещества.

Что запомнить

• Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
• Протоны и нейтроны называются нуклонами.
• Протон имеет кварковый состав uud, нейтрон — udd.
• Заряд u-кварка равен +⅔e, а d-кварка — −⅓e.
• Суммарный заряд кварков протона равен +e, нейтрона — 0.
• Кварки входят в состав адронов и не наблюдаются поодиночке в обычных условиях.
• Электроны относятся к лептонам и не состоят из кварков.