En física y química , un nucleón es un protón o un neutrón , considerado en su función como componente de un núcleo atómico . El número de nucleones en un núcleo define el número másico del átomo (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 , formadas por tres quarks unidos por una fuerte interacción . La interacción entre dos o más nucleones se denomina interacción internucleónica o fuerza nuclear , que también es provocada en última instancia por la interacción fuerte. (Antes del descubrimiento de los quarks, el término "interacción fuerte" se refería únicamente a interacciones entre núcleos).
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 describen las propiedades de los quarks y de la interacción fuerte. Estas ecuaciones describen cuantitativamente cómo los quarks pueden unirse para formar 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 red 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 describir con éxito las propiedades de los nucleidos, como por ejemplo, si un nucleido en particular sufre o no desintegración radiactiva .
El protón y el neutrón se encuentran en un esquema de categorías siendo a la vez fermiones , hadrones y bariones . El protón lleva una carga neta positiva y el neutrón lleva una carga neta cero; La masa del protón es sólo aproximadamente un 0,13% menor que la del neutrón. Por lo tanto, pueden verse como dos estados del mismo nucleón y juntos forman un doblete de isospin ( I =1/2). En el espacio de isospin, los neutrones se pueden transformar en protones y, a la inversa, mediante simetrías SU(2) . Estos nucleones se ven afectados igualmente por la interacción fuerte, que es invariante bajo rotación en el espacio de isospin. Según el teorema de Noether , el isospin se conserva con respecto a la interacción fuerte. [1] : 129–130
Los protones y los neutrones son más conocidos por su papel de nucleones, es decir, como componentes de los 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 una está compuesta de partes más pequeñas, concretamente tres quarks cada una; aunque alguna vez se pensó que era así, ninguna de las dos es una partícula elemental . Un protón está compuesto por dos quarks arriba y un quark abajo , mientras que el neutrón tiene un quark arriba y dos quarks abajo. Los quarks se mantienen unidos mediante la fuerza fuerte , o de manera equivalente, mediante gluones , que median la fuerza fuerte al nivel de los quarks.
Un quark up tiene carga eléctrica ++2/3 e , y un quark down tiene carga :+1/3 e , por lo que las cargas eléctricas sumadas de protón y neutrón son + e y 0, respectivamente. [a] Así, el neutrón tiene carga 0 (cero), y por 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 similares: para el protón es1,6726 × 10 −27 kg (938,27 MeV/ c 2 ), mientras que para el neutrón es1,6749 × 10 −27 kg (939,57 MeV/ c2 ) ; el neutrón es aproximadamente un 0,13% más pesado. La similitud en masa puede explicarse aproximadamente por la ligera diferencia en las masas de los quarks arriba y abajo que componen los nucleones. Sin embargo, una descripción detallada sigue siendo un problema sin resolver en la física de partículas. [1] : 135–136
El espín del nucleón es1/2, lo que significa que son fermiones y, como 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 números cuánticos de isospín y espín del nucleón tienen dos estados cada uno, lo que da como resultado cuatro combinaciones en total. Una partícula alfa está compuesta por cuatro nucleones que ocupan las cuatro combinaciones, es decir, tiene dos protones (que tienen 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, se ven obligados a tener movimiento relativo , lo que también puede contribuir al espín nuclear a través del número cuántico orbital . Se distribuyen en capas nucleares análogas a las capas de electrones conocidas en química.
Tanto el protón como el neutrón tienen momentos magnéticos , aunque los momentos magnéticos del nucleón son anómalos y inesperados cuando fueron descubiertos en la década de 1930. El momento magnético del protón, símbolo μ p , es2,79 μ N , mientras que, si el protón fuera una partícula elemental de Dirac , debería tener un momento magnético de1,0 µN . Aquí la unidad para los momentos magnéticos es el magnetón nuclear , símbolo μ N , una unidad de medida a escala atómica . El momento magnético del neutrón es μ n =−1,91 μ N , mientras que, como el neutrón carece de carga eléctrica, no debería tener momento magnético. El valor del momento magnético del neutrón es negativo porque la dirección del momento es opuesta al giro del neutrón. Los momentos magnéticos de los nucleones surgen de la subestructura de quarks de los nucleones. [2] [3] El momento magnético del protón se aprovecha para la exploración por RMN/IRM .
Un neutrón en estado libre es una partícula inestable, con una vida media de unos diez minutos. se somete
b−
desintegración (un tipo de desintegración radiactiva ) al convertirse en un protón mientras se emite un electrón y un antineutrino electrónico . Esta reacción puede ocurrir porque la masa del neutrón es ligeramente mayor que la del protón. (Consulte el artículo sobre Neutrones 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 la 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 describe anteriormente; Lo contrario puede suceder dentro de otros nucleidos, donde un protón se convierte en un neutrón (produciendo otras partículas) a través de
b+
desintegración o captura de electrones . Y dentro de otros nucleidos, tanto los protones como los neutrones son estables y no cambian de forma.
Ambos nucleones tienen sus correspondientes antipartículas : 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. (En general, 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 formando un "antinúcleo". Hasta ahora, los científicos han creado núcleos de antideuterio [4] [5] y antihelio-3 [6] .
^a Las masas del protón y del neutrón se conocen con mucha mayor precisión en daltons (Da) que en MeV/ c 2 debido a la forma en que se definen. El factor de conversión utilizado es 1 Da = 931.494 028 (23) MeV/ c 2 .
^b Al menos 10 35 años. Véase desintegración de protones .
^c Para neutrones libres ; en la mayoría de los núcleos comunes, los neutrones son estables.
Se supone que las masas de sus antipartículas son idénticas, algo que hasta la fecha ningún experimento ha desmentido. Los experimentos actuales muestran que cualquier diferencia relativa entre las masas del protón y del antiprotón debe ser menor que2 × 10 −9 [PDG 1] y la diferencia entre las masas del neutrón y del antineutrón es del orden de(9 ± 6) × 10 −5 MeV/ c 2 . [PDG 2]
Las resonancias de nucleones son estados excitados de partículas de nucleones, que a menudo corresponden a uno de los quarks que tiene un estado de espín invertido o con un momento angular orbital diferente cuando la partícula decae. En esta tabla solo se incluyen 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 (en la notación espectroscópica ) del par nucleón-mesón, producido cuando se desintegra, y I y J son el isospin de la partícula y el momento angular total, respectivamente. Dado que los nucleones se definen como aquellos que tienen1/2isospin, el primer número siempre será 1 y el segundo número 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 puede denominarse "N(939) S 11 " o "S 11 (939)".
La siguiente tabla enumera sólo la resonancia base; cada entrada individual representa 4 bariones : 2 partículas de resonancia de nucleones y sus 2 antipartículas. Cada resonancia existe en una forma con 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 .
† El nucleón P 11 (939) representa el estado excitado de un protón o neutrón normal. Una partícula de este tipo puede ser estable en un núcleo atómico, por ejemplo en litio-6 . [7]
En el modelo de quarks con sabor SU(2) , los dos nucleones son parte del doblete del estado fundamental. El protón tiene un contenido de quarks de uud , y el neutrón, de udd . En el tipo SU (3) , son parte del octeto del estado fundamental ( 8 ) del espín -1/2 bariones , conocida como la vía Óctuple . Los otros miembros de este octeto son los isotripletes extraños de los hiperones.
Σ+
,
Σ0
,
Σ−
, elΛy el extraño isodoblete
Ξ0
,
Ξ−
. Se puede extender este multiplete en sabor SU(4) (con la inclusión del quark charm ) al plet 20 del estado fundamental , o en sabor SU(6) (con la inclusión de los quarks superior e inferior ) al suelo. -estado 56 -plet.
El artículo sobre isospin proporciona una expresión explícita de las funciones de onda de los nucleones en términos de los estados propios del sabor de los quarks.
Aunque se sabe que el nucleón está formado por tres quarks, hasta 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:
El skyrmion modela el nucleón como un solitón topológico en un campo piónico SU(2) no lineal . La estabilidad topológica del skyrmion se interpreta como la conservación del número bariónico , es decir, la no desintegración del nucleón. La densidad del número de devanados topológicos local se identifica con la densidad del número bariónico local del nucleón. Con el campo vectorial de isospin del pión orientado en la forma de un espacio erizo , el modelo se puede resolver fácilmente y, por eso, a veces se le llama modelo erizo . El modelo hedgehog es capaz de predecir parámetros de baja energía, como la masa del nucleón, el radio y la constante de acoplamiento axial, hasta aproximadamente el 30% de los valores experimentales.
El modelo de bolsa del MIT [8] [9] [10] confina los quarks y gluones que interactúan a través de la cromodinámica cuántica a una región del espacio determinada equilibrando la presión ejercida por los quarks y gluones contra una presión hipotética ejercida por el vacío en todos los campos cuánticos coloreados. . La aproximación más simple al modelo confina tres quarks que no interactúan a una cavidad esférica, con la condición de límite de que la corriente del vector de quarks desaparezca en el límite. El tratamiento de los quarks que no interactúan se justifica apelando a la idea de libertad asintótica , mientras que la condición de límites estrictos se justifica por el confinamiento de los quarks .
Matemáticamente, el modelo se parece vagamente al de una cavidad de radar , con soluciones de la ecuación de Dirac que sustituyen a las soluciones de las ecuaciones de Maxwell , y la condición de frontera del vector de fuga que representa las paredes metálicas conductoras de la cavidad del radar. Si el radio de la bolsa se establece en el radio del nucleón, el modelo de bolsa predice una masa del nucleón que está dentro del 30% de la masa real.
Aunque el modelo de bolsa básico no proporciona una interacción mediada por piones, describe excelentemente las fuerzas nucleón-nucleón a través del mecanismo de canal s de bolsa de 6 quarks utilizando la matriz P. [11] [12]
El modelo de bolsa quiral [13] [14] fusiona el modelo de bolsa del MIT y el modelo de Skyrmion . En este modelo, se hace un agujero en el centro del skyrmion y se reemplaza con un modelo de bolsa. La condición de contorno viene dada por el requisito de continuidad de la corriente vectorial axial a través del límite de la bolsa.
Muy curiosamente, la parte que falta del número de devanado topológico (el número bariónico) del agujero perforado en el skyrmion está exactamente compuesta por el valor esperado de vacío distinto de cero (o asimetría espectral ) de los campos de quarks dentro de la bolsa. A partir de 2017 [actualizar], este notable equilibrio entre la topología y el espectro de un operador no tiene ningún fundamento o explicación en la teoría matemática de los espacios de Hilbert y su relación con la geometría .
Varias otras propiedades de la bolsa quiral son notables: proporciona un mejor ajuste a las propiedades del nucleón de baja energía, dentro del 5-10%, y estas son casi completamente independientes del radio de la bolsa quiral, siempre que el radio sea menor. que el radio del nucleón. Esta independencia del radio se conoce como el principio del gato de Cheshire , [15] después de que el gato de Cheshire de Lewis Carroll se desvaneciera hasta quedar sólo con su sonrisa. Se espera que una solución de primeros principios de las ecuaciones de QCD demuestre una dualidad similar de descripciones quark- mesón .