En química y física , un nucleón es un protón o un neutrón , considerado en su papel como componente de un núcleo atómico . El número de nucleones en un núcleo define un isótopo 's número de masa (número de nucleones) .
Hasta la década de 1960, se pensaba que los nucleones eran partículas elementales , no formadas por partes más pequeñas. Ahora se sabe que son partículas compuestas , hechas de tres quarks unidos por una fuerte interacción . La interacción entre dos o más nucleones se llama interacción internucleon o fuerza nuclear , que también está en última instancia, causada por la interacción fuerte. (Antes del descubrimiento de los quarks, el término "interacción fuerte" se refería solo a interacciones entre nucleones).
Los nucleones se encuentran en el límite donde se superponen la física de partículas y la física nuclear . La física de partículas, en particular la cromodinámica cuántica , proporciona las ecuaciones fundamentales que explican las propiedades de los quarks y de la interacción fuerte. Estas ecuaciones explican cuantitativamente cómo los quarks pueden unirse en protones y neutrones (y todos los demás hadrones ). Sin embargo, cuando se ensamblan múltiples nucleones en un núcleo atómico ( nucleido ), estas ecuaciones fundamentales se vuelven demasiado difíciles de resolver directamente (ver celosía QCD ). En cambio, los nucleidos se estudian dentro de la física nuclear , que estudia los nucleones y sus interacciones mediante aproximaciones y modelos, como el modelo de capa nuclear . Estos modelos pueden explicar con éxito las propiedades de los nucleidos, como por ejemplo, si un nucleido en particular sufre desintegración radiactiva o no .
El protón y el neutrón están en un esquema de categorías que son a la vez fermiones , hadrones y bariones . El protón tiene una carga neta positiva y el neutrón una carga neta cero; la masa del protón es sólo un 0,13% menor que la del neutrón. Por lo tanto, pueden verse como dos estados del mismo nucleón, y juntos forman un doblete isospin ( I =1/2). En el espacio isospin, los neutrones se pueden transformar en protones a través de simetrías SU (2) y viceversa. Estos nucleones son igualmente afectados por la interacción fuerte, que es invariante bajo rotación en el espacio de isospín. Según el teorema de Noether , la isospina se conserva con respecto a la interacción fuerte. [1] : 129–130
Descripción general
Propiedades
Los protones y neutrones son más conocidos por su papel como nucleones, es decir, como componentes de núcleos atómicos, pero también existen como partículas libres. Los neutrones libres son inestables, con una vida media de alrededor de 13 minutos, pero tienen aplicaciones importantes (ver radiación de neutrones y dispersión de neutrones ). Los protones que no están unidos a otros nucleones son los núcleos de los átomos de hidrógeno cuando están unidos a un electrón o, si no están unidos a nada, son iones o rayos cósmicos.
Tanto el protón como el neutrón son partículas compuestas , lo que significa que cada uno está compuesto de partes más pequeñas, a saber, tres quarks cada uno; aunque alguna vez se pensó que era así, ninguna de las dos es una partícula elemental . Un protón se compone de dos quarks up y un quark down , mientras que el neutrón tiene un quark up y dos quarks down. Los quarks se mantienen unidos por la fuerza fuerte , o equivalentemente, por gluones , que median la fuerza fuerte a nivel de quarks.
Un quark up tiene carga eléctrica++2/3 e , y un quark abajo tiene carga -+1/3 e , por lo que las cargas eléctricas sumadas de protones y neutrones son + e y 0, respectivamente. [a] Por lo tanto, el neutrón tiene una carga de 0 (cero) y, por lo tanto, es eléctricamente neutro; de hecho, el término "neutrón" proviene del hecho de que un neutrón es eléctricamente neutro.
Las masas del protón y del neutrón son bastante similares: el protón es 1,6726 × 10 −27 kg o938.27 MeV / c 2 , mientras que el neutrón es1,6749 × 10 −27 kg o939,57 MeV / c 2 . El neutrón es aproximadamente un 0,13% más pesado. La similitud en masa se puede explicar aproximadamente por la ligera diferencia en las masas de quarks up y quarks down que componen los nucleones. Sin embargo, una explicación detallada sigue siendo un problema sin resolver en la física de partículas. [1] : 135-136
El giro del nucleón es 1/2, lo que significa que son fermiones y, al igual que los electrones , están sujetos al principio de exclusión de Pauli : no más de un nucleón, por ejemplo, en un núcleo atómico, puede ocupar el mismo estado cuántico .
Los isospin y giro números cuánticos de la nucleon tienen dos estados cada uno, lo que resulta en cuatro combinaciones en total. Una partícula alfa se compone de cuatro nucleones que ocupan las cuatro combinaciones, es decir, tiene dos protones (con espín opuesto ) y dos neutrones (que también tienen espín opuesto) y su espín nuclear neto es cero. En núcleos más grandes, los nucleones constituyentes, por exclusión de Pauli, están obligados a tener un movimiento relativo que también puede contribuir al espín nuclear a través del número cuántico orbital . Se esparcen en capas nucleares análogas a las capas de electrones conocidas por la química.
El momento magnético de un protón, denominado μ p , es2,79 μ N (donde μ N representa la unidad de medida a escala atómica llamada magneton nuclear ). El momento magnético de un neutrón es μ n =-1,91 μ N . Estos parámetros también son importantes en la exploración por RMN / RMN .
Estabilidad
Un neutrón en estado libre es una partícula inestable, con una vida media de unos diez minutos. Sufreβ-desintegración (un tipo de desintegración radiactiva ) al convertirse en un protón mientras se emite un electrón y un electrón antineutrino . (Consulte el artículo de Neutron para obtener más información sobre la desintegración de neutrones). Se cree que un protón por sí solo es estable, o al menos su vida útil es demasiado larga para medirla. Esta es una discusión importante en física de partículas (ver Desintegración de protones ).
Dentro de un núcleo, por otro lado, los protones y neutrones combinados (nucleones) pueden ser estables o inestables dependiendo del nucleido o especie nuclear. Dentro de algunos nucleidos, un neutrón puede convertirse en un protón (produciendo otras partículas) como se describió anteriormente; lo contrario puede suceder dentro de otros nucleidos, donde un protón se convierte en un neutrón (produciendo otras partículas) a través deβ+decaimiento o captura de electrones . Y dentro de otros nucleidos, tanto los protones como los neutrones son estables y no cambian de forma.
Antinucleones
Ambos nucleones tienen antipartículas correspondientes : el antiprotón y el antineutrón , que tienen la misma masa y carga opuesta que el protón y el neutrón respectivamente, e interactúan de la misma manera. (Generalmente se cree que esto es exactamente cierto, debido a la simetría CPT . Si hay una diferencia, es demasiado pequeña para medirla en todos los experimentos hasta la fecha). En particular, los antinucleones pueden unirse a un "antinúcleo". Hasta ahora, los científicos han creado núcleos de antideuterio [2] [3] y antihelio-3 [4] .
Tablas de propiedades detalladas
Nucleones
Nombre de la partícula | Símbolo | Contenido de Quark | Masa ( MeV / c 2 ) | Misa ( Da ) [a] | Yo 3 | J P | Q ( e ) | Momento magnético ( μ N ) | Vida media ( s ) | Comúnmente decae a |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
protón [PDG 1] | pag / pag+ / norte+ | tu tu D | 938.272 013 (23) | 1,007 276 466 77 (10) | + 1/2 | 1/2+ | +1 | 2.792 847 356 (23) | estable [b] | desapercibido |
neutrón [PDG 2] | norte / norte0 / norte0 | tu D D | 939.565 346 (23) | 1.008 664 915 97 (43) | -+1/2 | 1/2+ | 0 | −1,913 042 73 (45) | 8.857 (8) × 10 +2 [c] | pag + mi- + νmi |
antiprotón | pag / pag- / norte- | tu tu D | 938.272 013 (23) | 1,007 276 466 77 (10) | -+1/2 | 1/2+ | −1 | −2,793 (6) | estable [b] | desapercibido |
antineutrón | norte / norte0 / norte0 | tu D D | 939.485 (51) | 1.008 664 915 97 (43) | ++1/2 | 1/2+ | 0 | ? | 8.857 (8) × 10 +2 [c] | pag + mi+ + νmi |
^ a Las masas del protón y del neutrón se conocen con mucha mayor precisión endaltons(Da) que en MeV / c2, debido al valor relativamente poco conocido de lacarga elemental. El factor de conversión utilizado es 1 Da =931,494 028 (23) MeV / c 2 .
Se supone que las masas de sus antipartículas son idénticas y ningún experimento lo ha refutado hasta la fecha. Los experimentos actuales muestran que cualquier diferencia porcentual entre las masas del protón y el antiprotón debe ser menor que2 × 10 −9 [PDG 1] y la diferencia entre las masas de neutrones y antineutrones es del orden de(9 ± 6) × 10 −5 MeV / c 2 . [PDG 2]
Prueba | Fórmula | Resultado de PDG [PDG 1] |
---|---|---|
Masa | <2 × 10 −9 | |
Relación carga-masa | 0,999 999 999 91 (9) | |
Relación carga-masa-masa | (−9 ± 9) × 10 −11 | |
Cargo | <2 × 10 −9 | |
Carga de electrones | <1 × 10 −21 | |
Momento magnético | (−0,1 ± 2,1) × 10 −3 |
^ b Al menos 1035años. Verdesintegración de protones.
^ c Paraneutrones libres; en los núcleos más comunes, los neutrones son estables.
Resonancias de nucleones
Las resonancias de nucleones son estados excitados de partículas de nucleones, a menudo correspondientes a uno de los quarks que tiene un estado de giro invertido , o con diferente momento angular orbital cuando la partícula decae. En esta tabla solo se incluyen las resonancias con una calificación de 3 o 4 estrellas en el Particle Data Group (PDG). Debido a su vida extraordinariamente corta, muchas propiedades de estas partículas aún están bajo investigación.
El formato del símbolo se da como N ( m ) L IJ , donde m es la masa aproximada de la partícula, L es el momento angular orbital del par Nucleón-mesón, que se produce cuando decae, e I y J son el isospín y el ángulo total de la partícula. impulso respectivamente. Dado que los nucleones se definen por tener 1/2isospin, el primer número siempre será 1 y el segundo siempre será impar. Cuando se habla de resonancias de nucleones, a veces se omite la N y se invierte el orden, en la forma L IJ ( m ); por ejemplo, un protón se puede denominar "N (939) S 11 " o "S 11 (939)".
La siguiente tabla enumera solo la resonancia base; cada entrada individual representa 4 bariones : 2 partículas de resonancia de nucleón, así como sus 2 antipartículas. Cada resonancia existe en una forma con una carga eléctrica positiva (Q), con una composición de quarks de
tu
tu
D
como el protón, y una forma neutra, con una composición de quarks de
tu
D
D
como el neutrón, así como las correspondientes antipartículas con composiciones antiquark de
tu
tu
D
y
tu
D
D
respectivamente. Dado que no contienen quarks extraños , encantadores , inferiores o superiores , estas partículas no poseen extrañeza , etc.
La tabla solo enumera las resonancias con un isospin = 1/2. Para resonancias con isospin = 3/2, consulte el artículo sobre bariones delta .
Símbolo | J P | Promedio de masas de PDG ( MeV / c 2 ) | Ancho completo (MeV / c 2 ) | Pole position (parte real) | Posición de polo (-2 × parte imaginaria) | Desintegraciones comunes (Γ i / Γ> 50%) |
---|---|---|---|---|---|---|
N (939) P 11 [PDG 3] † | 1/2+ | 939 | † | † | † | † |
N (1440) P 11 [PDG 4] también conocido como la resonancia Roper | 1/2+ | 1440 (1420-1470) | 300 (200–450) | 1365 (1350-1380) | 190 (160–220) | norte + π |
N (1520) D 13 [PDG 5] | 3/2- | 1520 (1515-1525) | 115 (100-125) | 1510 (1505-1515) | 110 (105-120) | norte + π |
N (1535) S 11 [PDG 6] | 1/2- | 1535 (1525-1545) | 150 (125-175) | 1510 (1490-1530) | 170 (90-250) | norte + π o norte + η |
N (1650) S 11 [PDG 7] | 1/2- | 1650 (1645–1670) | 165 (145-185) | 1665 (1640–1670) | 165 (150-180) | norte + π |
N (1675) D 15 [PDG 8] | 5/2- | 1675 (1670–1680) | 150 (135-165) | 1660 (1655-1665) | 135 (125-150) | norte + π + π o Δ + π |
N (1680) F 15 [PDG 9] | 5/2+ | 1685 (1680-1690) | 130 (120-140) | 1675 (1665-1680) | 120 (110-135) | norte + π |
N (1700) D 13 [PDG 10] | 3/2- | 1700 (1650-1750) | 100 (50-150) | 1680 (1630-1730) | 100 (50-150) | norte + π + π |
N (1710) P 11 [PDG 11] | 1/2+ | 1710 (1680-1740) | 100 (50-250) | 1720 (1670-1770) | 230 (80–380) | norte + π + π |
N (1720) P 13 [PDG 12] | 3/2+ | 1720 (1700-1750) | 200 (150–300) | 1675 (1660-1690) | 115-275 | norte + π + π o norte + ρ |
N (2190) G 17 [PDG 13] | 7/2- | 2190 (2100-2200) | 500 (300–700) | 2075 (2050-2100) | 450 (400–520) | norte + π (10-20%) |
N (2220) H 19 [PDG 14] | 9/2+ | 2250 (2200–2300) | 400 (350–500) | 2170 (2130-2200) | 480 (400–560) | norte + π (10-20%) |
N (2250) G 19 [PDG 15] | 9/2- | 2250 (2200-2350) | 500 (230–800) | 2200 (2150-2250) | 450 (350–550) | norte + π (5-15%) |
† El nucleón P 11 (939) representa el estado excitado de un protón o neutrón normal, por ejemplo, dentro del núcleo de un átomo. Estas partículas suelen ser estables dentro del núcleo, es decir, Litio-6 . [5]
Clasificación del modelo de Quark
En el modelo de quark con sabor SU (2) , los dos nucleones son parte del doblete del estado fundamental. El protón tiene un contenido de quarks uud y el neutrón, udd . En el sabor SU (3) , son parte del octeto de estado fundamental ( 8 ) de espín - 1/2 bariones , conocida como la vía Óctuple . Los otros miembros de este octeto son los hiperones extraña isotriplet Σ+, Σ0, Σ-, la Λ y el extraño isodoublet Ξ0, Ξ-. Se puede extender este multiplete en el sabor SU (4) (con la inclusión del quark charm) al estado fundamental 20 -plet, o al sabor SU (6) (con la inclusión de los quarks superior e inferior) al estado fundamental 56 pliegos.
El artículo sobre isospin proporciona una expresión explícita para las funciones de onda de nucleón en términos de los estados propios del sabor de los quarks.
Modelos
Aunque se sabe que el nucleón está compuesto por tres quarks, a partir de 2006[actualizar], no se sabe cómo resolver las ecuaciones de movimiento para la cromodinámica cuántica . Así, el estudio de las propiedades de baja energía del nucleón se realiza mediante modelos. El único enfoque de primeros principios disponible es intentar resolver las ecuaciones de QCD numéricamente, utilizando QCD reticular . Esto requiere algoritmos complicados y supercomputadoras muy potentes . Sin embargo, también existen varios modelos analíticos:
Modelos de Skyrmion
El Skyrmion modela el nucleón como un solitón topológico en un campo de piones SU (2) no lineal . La estabilidad topológica del Skyrmion se interpreta como la conservación del número de bariones , es decir, la no desintegración del nucleón. La densidad de número de devanado topológico local se identifica con la densidad de número de bariones local del nucleón. Con el campo del vector de isospín de piones orientado en la forma de un espacio de erizo , el modelo se puede resolver fácilmente y, por lo tanto, a veces se denomina modelo de erizo . El modelo hedgehog es capaz de predecir parámetros de baja energía, como la masa de nucleón, el radio y la constante de acoplamiento axial , hasta aproximadamente el 30% de los valores experimentales.
Modelo de bolso MIT
El modelo de bolsa del MIT [6] [7] [8] confina tres quarks que no interactúan en una cavidad esférica, con la condición de límite de que la corriente del vector de quarks desaparezca en el límite. El tratamiento de no interacción de los quarks se justifica apelando a la idea de libertad asintótica , mientras que la condición de límite rígido se justifica por el confinamiento de los quarks .
Mathematically, the model vaguely resembles that of a radar cavity, with solutions to the Dirac equation standing in for solutions to the Maxwell equations and the vanishing vector current boundary condition standing for the conducting metal walls of the radar cavity. If the radius of the bag is set to the radius of the nucleon, the bag model predicts a nucleon mass that is within 30% of the actual mass.
Although the basic bag model does not provide a pion-mediated interaction, it describes excellently the nucleon-nucleon forces through the 6 quark bag s-channel mechanism using the P matrix.[9][10]
Chiral bag model
The chiral bag model[11][12] merges the MIT bag model and the Skyrmion model. In this model, a hole is punched out of the middle of the Skyrmion, and replaced with a bag model. The boundary condition is provided by the requirement of continuity of the axial vector current across the bag boundary.
Very curiously, the missing part of the topological winding number (the baryon number) of the hole punched into the Skyrmion is exactly made up by the non-zero vacuum expectation value (or spectral asymmetry) of the quark fields inside the bag. As of 2017[update], this remarkable trade-off between topology and the spectrum of an operator does not have any grounding or explanation in the mathematical theory of Hilbert spaces and their relationship to geometry.
Several other properties of the chiral bag are notable: It provides a better fit to the low energy nucleon properties, to within 5–10%, and these are almost completely independent of the chiral bag radius (as long as the radius is less than the nucleon radius). This independence of radius is referred to as the Cheshire Cat principle,[13] after the fading of Lewis Carroll's Cheshire Cat to just its smile. It is expected that a first-principles solution of the equations of QCD will demonstrate a similar duality of quark-pion descriptions.
Ver también
- Hadrons
- Electroweak interaction
Notas al pie
- ^ The resultant coefficients are obtained by summation of the component charges:
∑Q = 2/3 + 2/3 + (−+1/3) = 3/3 = +1,
and
∑Q = 2/3 + (−+1/3) + (−+1/3) = 0/3 = 0.
Referencias
- ^ a b Griffiths, David J. (2008). Introduction to Elementary Particles (2nd revised ed.). WILEY-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2.
- ^ Massam, T; Muller, Th.; Righini, B.; Schneegans, M.; Zichichi, A. (1965). "Experimental observation of antideuteron production". Il Nuovo Cimento. 39 (1): 10–14. Bibcode:1965NCimS..39...10M. doi:10.1007/BF02814251.
- ^ Dorfan, D. E; Eades, J.; Lederman, L. M.; Lee, W.; Ting, C. C. (June 1965). "Observation of Antideuterons". Phys. Rev. Lett. 14 (24): 1003–1006. Bibcode:1965PhRvL..14.1003D. doi:10.1103/PhysRevLett.14.1003.
- ^ R. Arsenescu; et al. (2003). "Antihelium-3 production in lead-lead collisions at 158 A GeV/c". New Journal of Physics. 5 (1): 1. Bibcode:2003NJPh....5....1A. doi:10.1088/1367-2630/5/1/301.
- ^ https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Lithium-6
- ^ Chodos et al. "New extended model of hadrons", Phys. Rev. D 9 3471 (1974) | https://doi.org/10.1103/PhysRevD.9.3471
- ^ Chodos et al. "Baryon structure in the bag theory", Phys. Rev. D 10 2599 (1974) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.10.2599
- ^ DeGrand et al. "Masses and other parameters of the light hadrons", Phys. Rev. D 12 2060 (1975) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.12.2060
- ^ Jaffe, R.L.; Low, F.E. (1979). "Connection between quark-model eigenstates and low-energy scattering". Phys. Rev. D. 19 (7): 2105. Bibcode:1979PhRvD..19.2105J. doi:10.1103/PhysRevD.19.2105.
- ^ Yu; Simonov, A. (1981). "The quark compound bag model and the Jaffe-Low P matrix". Physics Letters B. 107 (1–2): 1. Bibcode:1981PhLB..107....1S. doi:10.1016/0370-2693(81)91133-3.
- ^ Brown, Gerald E.; Rho, Mannque (March 1979). "The little bag". Physics Letters B. 82 (2): 177–180. Bibcode:1979PhLB...82..177B. doi:10.1016/0370-2693(79)90729-9.
- ^ Vepstas, L.; Jackson, A.D.; Goldhaber, A.S. (1984). "Two-phase models of baryons and the chiral Casimir effect". Physics Letters B. 140 (5–6): 280–284. Bibcode:1984PhLB..140..280V. doi:10.1016/0370-2693(84)90753-6.
- ^ Vepstas, L.; Jackson, A.D. (1990). "Justifying the chiral bag". Physics Reports. 187 (3): 109–143. Bibcode:1990PhR...187..109V. doi:10.1016/0370-1573(90)90056-8.
Particle listings
- ^ a b c Particle listings – p
- ^ a b Particle listings – n
- ^ Particle listings — Note on N and Delta Resonances
- ^ Particle listings — N(1440)
- ^ Particle listings — N(1520)
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- ^ Particle listings — N(1650)
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- ^ Particle listings — N(1680)
- ^ Particle listings — N(1700)
- ^ Particle listings — N(1710)
- ^ Particle listings — N(1720)
- ^ Particle listings — N(2190)
- ^ Particle listings — N(2220)
- ^ Particle listings — N(2250)
Otras lecturas
- Thomas, A.W.; Weise, W. (2001). The Structure of the Nucleon. Berlin, DE: Wiley-WCH. ISBN 3-527-40297-7.
- Brown, G.E.; Jackson, A.D. (1976). The Nucleon–Nucleon Interaction. North-Holland Publishing. ISBN 978-0-7204-0335-0.
- Nakamura, N.; Particle Data Group; et al. (2011). "Review of Particle Physics". Journal of Physics G. 37 (7): 075021. Bibcode:2010JPhG...37g5021N. doi:10.1088/0954-3899/37/7A/075021.