Warto przeczytać

Proton (oznaczany $p$) i neutron ($n$) to cząstki elementarne nazywane nukleonaminukleonynukleonami. Cząstki te wchodzą w skład wszystkich jąder atomowych we Wszechświecie i mają ze sobą wiele wspólnego. Rozmiary obu cząstek są rzędu 1 fm1 fm1 fm (czyt. femtometra), czyli 10Indeks górny -15^-15 m. Ich masy spoczynkowe są do siebie zbliżone i wynoszą: 938,272 MeV/$c$Indeks górny 2² dla protonu i 939,565 MeV/$c$Indeks górny 2² dla neutronu. Jednostka MeV/$c$Indeks górny 2² (czyt. megaelektronowolt na $c$Indeks górny 2²) to jednostka masy używana w fizyce subatomowej równa 1,783 · 10Indeks górny -30^-30 kg. Proton i neutron różnią się natomiast ładunkiem elektrycznym. Neutron jest cząstką obojętną elektrycznie, natomiast proton ma ładunek dodatni, +1$e$, gdzie $e$ oznacza ładunek elementarny, równy co do wartości bezwzględnej ładunkowi pojedynczego elektronu. Na zewnątrz jądra atomowego neutron ulega przemianie średnio po czasie 14 minut i 42 sekund, natomiast proton jest uważany za cząstkę stabilną. Dotychczas nie zaobserwowano ani jednej przemiany swobodnego protonu.

Eksperymenty, w których odkryto proton, zostały wykonane pod koniec drugiej dekady XX wieku przez Ernesta Rutherforda, odkrywcę jądra atomowego. Neutron został odkryty kilkanaście lat później, w roku 1932, przez Jamesa Chadwicka. Do momentu odkrycia neutronu nie było wiadomo jak zbudowane są jądra atomowe, istniało kilka hipotez. Chadwick nie tylko odkrył neutron, ale również pokazał, że jego masa jest zbliżona do masy protonu. Odkrycie neutronu zapoczątkowało serię przełomowych eksperymentów i jest uważane za początek odrębnej dziedziny fizyki – fizyki jądrowej. Nazwy proton i neutron zostały zaczerpnięte z greki i łaciny od słów oznaczających pierwszy i neutralny. Obie nazwy zostały zaproponowane przez Ernesta Rutherforda. Więcej na temat tego wybitnego fizyka i eksperymentów, w których odkrył jądro atomowe możesz przeczytać w e‑materiale „Jak definiujemy jądro atomowe?”.

Przez wiele lat nukleony były uważane za cząstki fundamentalne, czyli pozbawione wewnętrznej struktury. Późniejsze eksperymenty pokazały jednak, że neutron i proton zbudowane są z bardziej podstawowych cząstek, nazwanych kwarkamikwarkikwarkami. Proton i neutron mają podobną strukturę. Obie cząstki składają się z trzech kwarków, które wzajemnie na siebie oddziałują. Znanych jest 6 różnych kwarkówkwarkikwarków, jednak do budowy protonu i neutronu wystarczą tylko dwa z nich: kwark górny o symbolu $u$ i kwark dolny o symbolu $d$. Proton zbudowany jest z dwóch kwarków $u$ i jednego $d$, co zapisujemy jako $uud$. Natomiast w skład neutronu wchodzą jeden kwark $u$ i dwa $d$, co zapisujemy jako $udd$. Aby łatwiej wyobrazić sobie budowę nukleonównukleonynukleonów, możemy posłużyć się bardzo uproszczonym schematem pokazanym na Rys. 1a. i 1b.. Trzy kwarki, budujące nukleon, są rozmieszczone w taki sposób, że każdy z nich oddziałuje z dwoma pozostałymi, co na rysunku przedstawiono w postaci sprężynek. Takie ułożenie można uzyskać, wyobrażając sobie, że kwarki znajdują się w wierzchołkach trójkąta równobocznego. W rzeczywistości struktura nukleonów jest dużo bardziej skomplikowana z racji występujących między kwarkami oddziaływań silnych.

R1XbBI0b2qLdU

Rys. 1a. przedstawia schemat budowy kwarkowej protonu. Wewnątrz koła w czerwonm z rozświetloną krawędzią kolorze umieszczono trzy kółka połączone "sprężynkami" tworzącymi trójkąt równoboczny: dwa kółka koloru pomarańczowego opisano małą literą u, natomiast trzecie, koloru fioletowego opisano małą literą d.

R1Jmvqwjw9VkB

Rys. 1b. przedstawia schemat budowy kwarkowej neutronu. Wewnątrz koła w zielonym z rozświetloną krawędzią kolorze umieszczono trzy kółka połączone "sprężynkami" tworzącymi trójkąt równoboczny: dwa kółka koloru fioletowego opisano małą literą d, natomiast trzecie, koloru pomarańczowego opisano małą literą u.

Według klasyfikacji cząstek elementarnych proton i neutron zaliczają się do grupy barionówbarionybarionów, czyli cząstek zbudowanych z trzech kwarków. Kwarki mają wiele zaskakujących cech. Między innymi nie występują swobodnie jako samodzielne obiekty (zawsze występują w grupach) oraz obdarzone są ułamkowymi ładunkami elektrycznymi. Ładunek kwarka $u$ to +2/3$e$, a kwarka $d$ to -1/3$e$. Złożone cząstki elementarne zbudowane są w taki sposób, że sumaryczny ładunek elektryczny kwarków je tworzących jest wielokrotnością ładunku elementarnego, albo wynosi zero. Wykonując prosty rachunek, można sprawdzić, że sumaryczne ładunki elektryczne grup kwarków $uud$ i $udd$ są zgodne z ładunkami protonu i neutronu. Dla przykładu: sumaryczny ładunek elektryczny kwarka $u$ i dwóch kwarków $d$, czyli +2/3$e$ - 1/3$e$ - 1/3$e$, wynosi zero. Więcej na temat kwarków możesz dowiedzieć się w e‑materiale „Górny, dolny, dziwny i powabny, czyli o kwarkach”.

Kwarkowa budowa protonu i neutronu ma również wpływ na ich stabilność. Większość znanych cząstek złożonych jest niestabilna, tzn., że po pewnym czasie od momentu powstania ulega przemianie na obiekty o mniejszych masach. Średni czas, jaki upływa od momentu powstania cząstki do momentu jej rozpadu nazywamy czasem życia. Grupa kwarków $uud$ tworząca proton jest najlżejszą z możliwych kombinacji trzech kwarków. Proton jest zatem najlżejszym ze wszystkich barionówbarionybarionów. Oznacza to, że nie ma żadnego barionu, który mógłby powstać w wyniku jego rozpadu. W konsekwencji proton nie ulega rozpadowi i może występować jako samodzielna cząstka, tj. swobodnie poza jądrem atomowym. Neutron różni się od protonu jednym kwarkiem. Zamiast jednego z dwóch kwarków $u$ występuje kwark $d$, którego masa jest większa od masy kwarka górnego. W rezultacie masa neutronu jest o około 1,3 MeV/$c$Indeks górny 2²1 MeV/$c$Indeks górny 2²MeV/$c$Indeks górny 2² większa niż masa protonu. Jest to mała różnica, ma ona jednak ogromne konsekwencje. Dzięki niej przemiana neutronu jest możliwa. W wyniku tej przemiany powstają trzy cząstki: proton, elektron i odpowiadające mu antyneutrino elektronowe, których suma mas jest mniejsza od masy neutronu. Przemiana swobodnego neutronu następuje średnio po czasie 14 minut i 42 sekund.

Wewnątrz jądra atomowego stabilność nukleonów ulega zmianie. Odpowiedzialne są za to złożone oddziaływania między nukleonami znajdującymi się blisko siebie. Czas życia neutronu wewnątrz jądra atomowego może znacząco różnić się od czasu życia swobodnego neutronu. W szczególności, dla niektórych jąder, rozpad neutronu może nie zachodzić. Przemiana jądra atomowego w wyniku rozpadu neutronu w jego wnętrzu nazywana jest rozpadem ${\beta }^{-}$ (czyt. beta minus). W wyniku oddziaływań między nukleonami możliwe są również inne procesy, takie jak rozpad protonu na neutron z emisją pozytonu i neutrina elektronowego (rozpad ${\beta }^{+}$). Więcej na temat rozpadów beta możesz przeczytać w innych e‑materiałach.

Proton i neutron mają swoje odpowiedniki wśród antycząstek: antyproton i antyneutron o symbolach $\bar{p}$ i $\bar{n}$ (pozioma kreska nad symbolem oznacza antycząstkę). Antyproton składa się z dwóch antykwarków górnych $\bar{u}$ i jednego antykwarka dolnego $\bar{d}$, a neutron z dwóch antykwarków dolnych $\bar{d}$ i jednego antykwarka górnego $\bar{u}$. Ładunki elektryczne antykwarków są przeciwne do ładunków kwarków i dlatego antyproton jest obdarzony ładunkiem elektryczny -1$e$. Antyneutron, tak samo, jak neutron jest elektrycznie obojętny. Antycząstki mają takie same masy i rozmiary jak cząstki, którym odpowiadają.

Słowniczek