Обережно, нуклони!

Нуклонів, загальна назва протона і нейтрона - частинок, з яких складаються ядра атомів. На нуклони припадає основна частина маси атома. Незважаючи на відмінність в деяких властивостях і поведінці, нейтрони і протони, на думку фізиків, досить подібні, щоб вважати їх членами однієї родини, подібно до того як біологи відносять до єдиного вигляду собак і вовків. Так, їх маси розрізняються не більше ніж на 1%, а спини (осі обертання) однакові. Крім того, майже однакові сили, що діють між двома нейтронами або двома протонами на малих відстанях (10 в -15 ступеня м і менше). Найбільш істотна відмінність між протоном і нейтроном - наявність у протона електричного заряду, якого нейтрон, як це видно з його назви, не має.

Ядро найпростішого атома - атома водню - являє собою протон. Ядра інших атомів складаються з протонів і нейтронів. Те, що ядро ​​водню є фундаментальною частинкою речовини, встановив Е. Резерфорд, який показав, що маса позитивного заряду атома сконцентрована в дуже малій області простору, і назвав його протоном. Маса протона складає 1,67 * 10 в -24 ступеня р тобто приблизно в 1836 разів перевищує масу електрона. Електричний заряд протона (1,6 * 10 в -19 ступеня Кл) дорівнює за величиною, але протилежний за знаком заряду електрона. Подібно електрону, протон володіє відмінним від нуля спіном, який можна уявити собі як характеристику обертання частинки навколо своєї осі, подібного добового обертання Землі. Спін протона дорівнює h / 2p. де h - фундаментальна фізична константа, звана постійною Планка. Якщо протон знаходиться в магнітному полі, то його спін прецессирует подібно вовчка, прецессирует під дією сили тяжіння. Швидкість цієї прецесії визначається магнітним моментом, який у протона дорівнює 1,4 * 10-26 Дж / Тл і напрямок якого збігається з напрямком спина (тобто осі обертання).

Хоча Резерфорд ще в 1920 допускав існування в ядрах нейтронів, перші переконливі докази існування цих частинок принесла робота його асистента Дж.Чедвіка в 1932. Чедвік опромінював берилій альфа-частками радіоактивного джерела. Тоді вже було відомо, що опромінений берилій стає джерелом нового випромінювання. Це випромінювання при зіткненні з іншими ядрами вибиває з них протони. Чедвік припустив, що випромінювання берилію є потік частинок з масою, приблизно такий же, як у протона, але без електричного заряду. Він назвав такі частинки нейтронами.

Маса нейтрона трохи перевищує масу протона і в 1839 разів масу електрона. Як і у протона, спин нейтрона дорівнює h / 2p. У нейтрона є і магнітний момент, рівний 9 * 10-27 Дж / Тл. тобто приблизно 2/3 магнітного моменту протона. Але, на відміну від протона (див. Вище), магнітний момент нейтрона орієнтований протилежно його спину (осі обертання). Існування магнітного моменту у нейтрона - частки, що не має електричного заряду, - вказує на те, що ця частка навряд чи елементарна і, скоріше, побудована з інших частинок, у тому числі і з мають електричний заряд.

У сучасній фізиці уявлення про структуру нуклонів спирається на кваркової моделі. Згідно з останньою, нуклони складаються з більш простих частинок трьох типів, названих кварками. Якщо електричний заряд протона позначити через е. То протон буде містити два кварка із зарядом + (2 / 3е) і один кварк з зарядом - (1 / 3е), а нейтрон - один кварк з зарядом + (2 / 3е) і два кварка з зарядом - (1/3) е. Кварковая модель отримала переконливе підтвердження в дослідах з розсіювання електронів високих енергій, які, взаємодіючи з нуклонами, виявили наявність у них внутрішньої структури.

На відміну від протона нейтрон нестабільний; в середньому через 15 хв вільний нейтрон самовільно перетворюється в протон, електрон і антинейтрино. Нейтрони, що входять до складу стабільних ядер, подібних перетворень не відчувають.

Завдяки наявності заряду і магнітного моменту протони реагують на електричні та магнітні поля. Прикладом може служити ядерна магнітна томографія. Спини протонів відчувають прецесію в магнітному полі. Реєструючи сигнали ядерного магнітного резонансу цих протонів при впливі зовнішнього електромагнітного випромінювання, можна отримати картину розподілу атомів водню в речовині. Маніпулювати нейтронами важче. Зате завдяки відсутності електричного заряду нейтрони набагато легше, ніж заряджені частинки, проникають в атомні ядра. При цьому нейтрони викликають перетворення, подібні поділу ядер, яке служить джерелом отримання електричної енергії у величезних масштабах.