핵자
Nucleon물리학과 화학에서, 핵자는 원자핵의 구성 요소로서의 역할로 간주되는 양성자 또는 중성자이다.핵에 있는 핵자의 수는 원자의 질량수(핵자수)를 정의한다.
1960년대까지, 핵자는 더 작은 부분으로 구성되어 있지 않은 소립자로 생각되었다.이제 그것들은 강한 상호작용에 의해 결합된 세 개의 쿼크로 이루어진 복합 입자로 알려져 있다.두 개 이상의 핵자 사이의 상호작용은 핵자간 상호작용 또는 핵력이라고 불리며, 이것은 또한 궁극적으로 강한 상호작용에 의해 야기된다. (쿼크의 발견 이전에, "강력한 상호작용"이라는 용어는 단지 핵자간 상호작용을 가리켰다.)
핵자는 입자 물리학과 핵 물리학이 겹치는 경계에 위치한다.입자 물리학, 특히 양자 색역학은 쿼크와 강한 상호작용의 특성을 설명하는 기본 방정식을 제공합니다.이 방정식은 쿼크가 어떻게 양성자와 중성자로 결합할 수 있는지를 양적으로 설명한다.그러나, 복수의 핵자가 원자핵(핵종)에 조립되면, 이러한 기본 방정식은 직접 풀기에는 너무 어려워진다(격자 QCD 참조). 대신, 핵종은 핵물리학 내에서 연구된다.핵자는 핵자 및 핵껍질 모델과 같은 근사치와 모델에 의해 그 상호작용을 연구한다.이러한 모델은 예를 들어 특정 핵종이 방사성 붕괴를 겪는지 여부와 같은 핵종 특성을 성공적으로 설명할 수 있다.
양성자와 중성자는 동시에 페르미온, 하드론, 바리온으로 분류된다.양성자는 양의 순전하를 띠며, 중성자는 0의 순전하를 띠며, 양성자의 질량은 중성자 질량의 0.13%에 불과하다.따라서, 그들은 같은 핵자의 두 국가로서 함껜 아이 소스핀 더블릿을 형성하기(나는{.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion{디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac .num,.mw-parser-output.sfrac .den 정도 볼 수 있다.디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}1/2 cm이다.이소스핀 공간에서 중성자는 양성자로 변환될 수 있으며, 반대로 SU(2) 대칭에 의해 변환될 수 있다.이 핵자들은 이소스핀 공간에서 회전할 때 변하지 않는 강한 상호작용에 의해 동일하게 작용한다.노에테르 정리에 따르면 이소스핀은 강한 [1]: 129–130 상호작용에 대해 보존된다.
개요
특성.
양성자와 중성자는 핵자로서의 역할, 즉 원자핵의 구성 요소로서 가장 잘 알려져 있지만 자유 입자로도 존재한다.자유 중성자는 반감기가 약 13분으로 불안정하지만 중요한 응용 분야가 있다(중성자 방사 및 중성자 산란 참조).다른 핵자에 결합되지 않은 양성자는 전자와 결합되었을 때 수소 원자의 핵이거나, 아무 것도 결합되지 않았다면 이온이나 우주선이다.
양성자와 중성자 모두 복합입자이며, 이는 각각 작은 부분, 즉 각각 3개의 쿼크로 구성되어 있다는 것을 의미한다. 한때 그렇게 생각되었지만, 소립자도 아니다.양성자는 2개의 업 쿼크와 1개의 다운 쿼크로 구성되어 있는 반면, 중성자는 1개의 업 쿼크와 2개의 다운 쿼크로 구성되어 있습니다.쿼크는 강한 힘에 의해 함께 유지되거나, 또는 동등한 힘으로 유지되며, 글루온은 쿼크 수준에서 강한 힘을 매개합니다.
업쿼크는 전하 ++2/3e, 다운쿼크는 전하 -+1/3e이므로 양성자와 중성자의 합전하는 각각 [a]+e, 0이다.따라서 중성자는 0의 전하를 가지며, 따라서 전기적으로 중립적이다. 실제로 중성자라는 용어는 중성자가 전기적으로 중립적이라는 사실에서 유래한다.
양성자와 중성자의 질량은 유사하다. 양성자의 경우 1.6726×10kg−27(938.27 MeV/c2), 중성자의 경우 1.6749×10kg−27(939.57 MeV/c2)이다. 중성자는 약 0.13% 더 무겁다.질량의 유사성은 핵자를 구성하는 업 쿼크와 다운 쿼크의 질량의 약간의 차이로 대략 설명될 수 있습니다.하지만, 자세한 설명은 입자 [1]: 135–136 물리학에서 풀리지 않은 문제로 남아 있다.
핵자의 스핀은 1/2이며, 이는 그들이 페르미온이고 전자와 마찬가지로 파울리 배타원리에 따릅니다: 예를 들어 원자핵에서 같은 양자 상태를 가질 수 있는 핵자는 하나뿐입니다.
핵자의 아이소스핀과 스핀 양자수는 각각 2개의 상태를 가지며, 그 결과 총 4개의 조합이 발생한다.알파 입자는 네 가지 조합을 모두 차지하는 네 개의 핵자로 구성되어 있다. 즉, 두 개의 양성자(반대 스핀을 갖는 것)와 두 개의 중성자(반대 스핀을 갖는 것)를 가지고 있으며 순 핵 스핀은 0이다.더 큰 핵 구성 요소에서, Pauli 배제에 의해, 상대적인 움직임을 가질 수 밖에 없으며, 이것은 또한 궤도 양자수를 통한 핵 스핀에 기여할 수 있다.그것들은 화학에서 알려진 전자 껍질과 유사한 핵 껍질로 퍼져나갔다.
μ로 표시된p 양성자의 자기 모멘트는 2.79μ이다N(여기서N μ는 핵 마그네톤이라고 불리는 원자 규모의 측정 단위를 나타낸다).중성자의 자기 모멘트는 μ = -1.91N μ이다n.이러한 파라미터는 NMR/MRI 스캔에서도 중요합니다.
안정성.
자유 상태의 중성자는 불안정한 입자로, 반감기는 약 10분입니다.전자와 전자 반중성미자를 방출하면서 양성자로 변하면서 β 붕괴(방사능 붕괴의 일종)를−
겪는다.(중성자 붕괴에 대한 자세한 내용은 중성자 문서를 참조하십시오.)양성자 자체는 안정적이거나 적어도 그 수명이 너무 길어서 측정할 수 없는 것으로 생각된다.이것은 입자 물리학에서 중요한 논의입니다(양성자 붕괴 참조).
반면 핵 내부에서는 양성자와 중성자(핵자)의 결합이 핵종, 즉 핵종에 따라 안정적이거나 불안정할 수 있다.일부 핵종 안에서 중성자는 위에서 설명한 바와 같이 양성자(다른 입자를 생성함)로 변할 수 있다. 다른 핵종 안에서 그 반대가 발생할 수 있다. 양성자는 β 붕괴 또는 전자 포획을 통해+
중성자(다른 입자를 생성함)로 변할 수 있다.그리고 다른 핵종 내부에서도 양성자와 중성자 모두 안정적이고 형태를 바꾸지 않습니다.
반핵자
두 핵자는 각각 양성자와 중성자와 같은 질량과 반대 전하를 가진 반양성자와 반중성자를 가지고 있으며, 그들은 같은 방식으로 상호작용한다. (이것은 CPT 대칭에 의해 일반적으로 정확하게 사실로 여겨진다.)차이가 있으면 지금까지의 모든 실험에서 측정하기에는 너무 작습니다.)특히, 항핵자는 "항핵자"에 결합할 수 있습니다.지금까지 과학자들은 반중수소와[2][3] 항헬륨-3[4] 핵을 만들어냈다.
상세 속성 테이블
핵자
핵자 (I = 1/2, S = C = B = 0)파티클 이름. | 기호. | 쿼크 내용 | 덩어리[a] | I3 | JP | Q | 자기 모멘트(μN) | 평균 수명 | 일반적으로 ~로 변질된다. |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
양성자[PDG 1] | p /p+ /N+ | u u d | 938.272013(23) MeV/c2 1.00727646677(10) Da | +1/2 | 1/2+ | +1 e | 2.792847356(23) | 안정적인.[b] | 관찰되지 않다 |
중성자[PDG 2] | n /n0 /N0 | u d d | 939.565346(23) MeV/c2 1.00866491597(43) Da | −+1/2 | 1/2+ | 0 e | - 1.91304273 (45) | 885.7(8)초[c] | p + e− + ν e |
반양성자 | p /p− /N− | u u d | 938.272013(23) MeV/c2 1.00727646677(10) Da | −+1/2 | 1/2+ | - 1 e | - 2.793(6) | 안정적인.[b] | 관찰되지 않다 |
반뉴트론 | n /n0 /N0 | u d d | 939.485(51) MeV/c2 1.00866491597(43) Da | ++1/2 | 1/2+ | 0 e | ? | 885.7(8)초[c] | p + e+ + ν e |
^a 양성자와 중성자의 질량은 정의 방법 때문에 MeV/c보다2 달톤(Da)에서 훨씬 더 정밀하게 알려져 있다.사용된 변환 계수는 1Da = 931.494028(23) MeV/c입니다2.
^c 자유 중성자의 경우, 대부분의 일반적인 핵에서 중성자는 안정적이다.
이들의 반입자의 질량은 동일한 것으로 추정되며, 현재까지 이를 반박하는 실험은 없다.현재 실험에 따르면 양성자와 반양성자 질량의 상대적인 차이는 2×10−9[PDG 1] 미만이어야 하며 중성자와 반양성자 질량의 차이는 (9±6−5)×10 MeV2/[PDG 2]c이다.
시험 | 공식 | PDG 결과[PDG 1] |
---|---|---|
덩어리 | 2×10−9 미만 | |
전하 대 질량비 | 0.99999999991(9) | |
전하 대 질량비 | (−9±9)×10−11 | |
외상으로 하겠습니다. | 2×10−9 미만 | |
전자 전하 | 1×10−21 미만 | |
자기 모멘트 | (−0.1±2.1)×10−3 |
핵자 공명
핵자 공명은 핵자 입자의 들뜬 상태로, 종종 뒤집힌 스핀 상태를 가지거나 입자가 붕괴될 때 다른 궤도 각 운동량을 갖는 쿼크 중 하나에 해당합니다.이 표에는 Particle Data Group(PDG; 입자 데이터 그룹)에서 별 3개 또는 별 4개 등급의 공명만 포함되어 있습니다.이 입자들의 수명이 매우 짧기 때문에, 이 입자들의 많은 특성은 아직 조사 중입니다.
기호 형식은 N(mIJ) L로 지정되며, 여기서 m은 입자의 대략적인 질량이고, L은 핵-메손 쌍이 붕괴할 때 생성되는 궤도 각운동량(분광표기법)이며, I와 J는 입자의 이소스핀과 총 각운동량이다.핵자는 1/2 아이소스핀을 갖는 것으로 정의되기 때문에 첫 번째 숫자는 항상 1이고 두 번째 숫자는 항상 홀수입니다.핵자 공명을 논할 때, 때때로 N이 생략되고 순서가 L(m) 형태로IJ 반전된다. 예를 들어 양성자는 "N(939) S11" 또는 "S11(939)"로 표시될 수 있다.
아래 표에는 베이스 공명만 나와 있습니다.각 엔트리는 4개의 바리온을 나타냅니다.즉, 2개의 핵자 공명 입자와 2개의 반입자입니다.각 공명은 양성자와 같은 ud의
쿼크 조성 및 중성자와 같은 udd의
쿼크 조성 및 각각 udd
및 udd의
반쿼크 조성 대응 반입자를 갖는 형태로 존재한다.이상, 매력, 바닥, 상단 쿼크가 없기 때문에 이 입자들은 이상함 등이 없습니다.
이 표에는 isospin = 1/2인 공명만 나와 있습니다.Isospin = 3/2의 공진은 델타 바리온에 대한 문서를 참조하십시오.
I = 1/2인 핵자 공명기호. | JP | PDG 질량 평균 (MeV/c2) | 전폭 (MeV/c2) | 폴 포지션 (실제 부분) | 폴 포지션 (-2 × 허수 부분) | 일반적인 부패 (%/γi>50 %) |
---|---|---|---|---|---|---|
N(939) P11 [PDG 3]† | 1/2+ | 939 | † | † | † | † |
N(1440) P11 [PDG 4] (로퍼 공명) | 1/2+ | 1440 (1420–1470) | 300 (200–450) | 1365 (1350–1380) | 190 (160–220) | N + π |
N(1520) D13 [PDG 5] | 3/2− | 1520 (1515–1525) | 115 (100–125) | 1510 (1505–1515) | 110 (105–120) | N + π |
N(1535) S11 [PDG 6] | 1/2− | 1535 (1525–1545) | 150 (125–175) | 1510 (1490–1530) | 170 (90–250) | N + or 또는 N + η |
N(1650) S11 [PDG 7] | 1/2− | 1650 (1645–1670) | 165 (145–185) | 1665 (1640–1670) | 165 (150–180) | N + π |
N(1675) D15 [PDG 8] | 5/2− | 1675 (1670–1680) | 150 (135–165) | 1660 (1655–1665) | 135 (125–150) | N + + + or 또는 δ + π |
N(1680) F15 [PDG 9] | 5/2+ | 1685 (1680–1690) | 130 (120–140) | 1675 (1665–1680) | 120 (110–135) | N + π |
N(1700) D13 [PDG 10] | 3/2− | 1700 (1650–1750) | 100 (50–150) | 1680 (1630–1730) | 100 (50–150) | N + + + π |
N(1710) P11 [PDG 11] | 1/2+ | 1710 (1680–1740) | 100 (50–250) | 1720 (1670–1770) | 230 (80–380) | N + + + π |
N(1720) P13 [PDG 12] | 3/2+ | 1720 (1700–1750) | 200 (150–300) | 1675 (1660–1690) | 115–275 | N + + + or 또는 N + ρ |
N(2190) G17 [PDG 13] | 7/2− | 2190 (2100–2200) | 500 (300–700) | 2075 (2050–2100) | 450 (400–520) | N + ( ( 10 ~20 %) |
N(2220) H19 [PDG 14] | 9/2+ | 2250 (2200–2300) | 400 (350–500) | 2170 (2130–2200) | 480 (400–560) | N + ( ( 10 ~20 %) |
N(2250) G19 [PDG 15] | 9/2− | 2250 (2200–2350) | 500 (230–800) | 2200 (2150–2250) | 450 (350–550) | N + ( ( 5 ~15 %) |
∙ P(939)핵자는11 정상적인 양성자 또는 중성자의 들뜬 상태를 나타낸다. 그러한 입자는 예를 들어 [5]리튬-6의 원자핵에 있을 때 안정적일 수 있다.
쿼크 모형 분류
SU(2) 맛의 쿼크 모델에서 두 개의 핵자는 바닥 상태 더블렛의 일부이다.양성자는 쿼크 함량이 ud이고 중성자는 udd다.SU(3) 맛에서는 에잇폴드 방식으로 알려진 스핀 1/2 바리온의 지면 상태 옥텟(8)의 일부입니다.이 옥텟의 다른 구성원은 하이페론 기묘한 이소드립트 σ+
, σ0
−
, σ
및 기묘한 이소더블렛 ξ0
, ξ이다−
. SU(4) 플레이버(참 쿼크 포함)에서 이 멀티플렛을 지면 상태 20-플렛 또는 SU(6)로 확장할 수 있다.
이소스핀에 대한 기사는 쿼크 맛 고유 상태의 관점에서 핵파 함수에 대한 명확한 표현을 제공한다.
모델
![]() | 이 섹션은 독자들에게 혼란스럽거나 불분명할 수 있습니다.2007년 8월 (이 의 방법과 에 대해 합니다) |
핵자가 3개의 쿼크로 만들어졌다고 알려져 있지만, 2006년[update] 현재 양자 색역학의 운동 방정식을 푸는 방법은 알려져 있지 않다.따라서 핵자의 낮은 에너지 특성에 대한 연구는 모델을 통해 수행된다.사용할 수 있는 유일한 제1원칙 접근법은 격자 QCD를 사용하여 QCD의 방정식을 수치적으로 푸는 것입니다.이를 위해서는 복잡한 알고리즘과 매우 강력한 슈퍼컴퓨터가 필요합니다.그러나 다음과 같은 몇 가지 분석 모델도 존재한다.
Skyrmion 모델
스카이미온은 비선형 SU(2) 파이온장에서의 위상 솔리톤으로 핵자를 모델링합니다.스카리미온의 위상 안정성은 중입자 수, 즉 핵자의 비감쇠 보존으로 해석됩니다.국소 위상 권선수 밀도는 핵자의 국소 바리온수 밀도로 식별된다.파이온 이소스핀 벡터장이 고슴도치 공간 모양으로 배향되어 있기 때문에, 이 모델은 쉽게 풀 수 있으며, 따라서 고슴도치 모델이라고 불리기도 한다.고슴도치 모델은 핵자 질량, 반지름 및 축 연결 상수와 같은 낮은 에너지 매개변수를 실험 값의 약 30%까지 예측할 수 있다.
MIT 가방 모델
MIT 백 모델은[6][7][8] 양자 색역학을 통해 상호작용하는 쿼크와 글루온을 모든 착색 양자장에 대한 진공에 의해 가해지는 가상의 압력과 쿼크와 글루온이 가하는 압력의 균형을 유지함으로써 결정되는 공간 영역으로 제한합니다.모델에 대한 가장 간단한 근사치는 쿼크 벡터 전류가 경계에서 사라지는 경계 조건과 함께 세 개의 비상호작용 쿼크를 구면 공동에 제한합니다.쿼크의 비 상호작용적 처리는 점근 자유라는 개념에 호소함으로써 정당화되는 반면, 단단한 경계 조건은 쿼크 구속에 의해 정당화된다.
수학적으로 모델은 막연히 레이더 공동과 유사하며, 맥스웰 방정식에 대한 해답은 디락 방정식에 대한 해답이 되고 소멸 벡터 전류 경계 조건은 레이더 공동의 전도성 금속 벽을 나타낸다.가방의 반지름을 핵자의 반지름으로 하면 실제 질량의 30% 이내인 핵자 질량을 예측한다.
기본 백 모델은 파이온 매개 상호작용을 제공하지 않지만, P [9][10]매트릭스를 사용하여 6 쿼크 백 S 채널 메커니즘을 통해 핵자-핵자 힘을 탁월하게 기술한다.
키랄백 모델
키랄 가방[11][12] 모델은 MIT 가방 모델과 스카이미온 모델을 병합합니다.이 모델에서는 스카이미온 중앙에서 구멍을 뚫어 가방 모델로 대체하고 있습니다.경계 조건은 백 경계를 가로지르는 축 벡터 전류의 연속성 요건에 의해 제공된다.
매우 신기하게도, 스카리미온에 뚫린 구멍의 위상 권선수(바리온수)의 결손부분은 정확히 가방 내의 쿼크장의 0이 아닌 진공기대값(또는 스펙트럼 비대칭성)으로 구성되어 있다.2017년 현재[update], 위상과 연산자의 스펙트럼 사이의 이 주목할 만한 균형은 힐베르트 공간의 수학적 이론과 기하학과의 관계에서 어떠한 기초나 설명도 가지고 있지 않다.
키랄 백의 다른 몇 가지 특성은 다음과 같습니다.이는 5~10% 이내의 낮은 에너지 핵자 특성에 더 잘 적합하며, 반지름이 핵자 반지름보다 작으면 키랄백 반지름과 거의 독립적이다.루이스 캐롤의 '체셔 고양이'가 미소만으로 사라진 후, 이러한 반경의 독립성은 '체셔 고양이 원칙'[13]이라고 불립니다.QCD 방정식의 제1원칙 해법은 쿼크-피온 설명의 유사한 이중성을 보여줄 것으로 예상된다.
「 」를 참조해 주세요.
각주
- ^ 성분 전하의 합계로 계수를 구한다. 양성자의 경우 δQ = 2/3 + 2/3 + (+1/3) = + 1이고 중성자의 경우 δQ = 2/3 + (+1/3) = 0이다.
레퍼런스
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파티클 리스트
추가 정보
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- 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.