Нейтрон (элементарная частица)

Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта "Викизнание" и пока не пострадала от вандалов.

Оглавление

• • 1 Нейтрон

  • 2 Нейтрон в полевой теории

    • 2.1 Радиус нейтрона

    • 2.2 Магнитный момент нейтрона

    • 2.3 Электрическое поле нейтрона

    • 2.4 Масса покоя нейтрона

    • 2.5 Время жизни нейтрона

  • 3 Нейтрон в Стандартной модели

1 Нейтрон

Нейтрон - элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) - группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +0 (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

Подгруппа протона.

2 Нейтрон в полевой теории

Согласно полевой теории элементарных частиц, нейтрон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей.

Структура электромагнитного поля нейтрона (E-постоянное электрическое поле ,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле).

Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):

• • постоянное электрическое поле (E) - 0,18%,

  • постоянное магнитное поле (H) - 4,04%,

  • переменное электромагнитное поле - 95,78%.

Наличие мощного постоянного магнитного поля объясняет обладание нейтроном ядерными силами. Структура нейтрона приведена на рисунке.

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон обладает дипольным электрическим полем.

2.1 Радиус нейтрона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для нейтрона это будет 3,3518 ∙10^-16 м. К этому надо добавить еще радиус слоя кольцевого переменного электромагнитного поля нейтрона 1,0978 ∙10^-16 м. Тогда получится

для нейтрона это будет 4,4496 ∙10^-16 м. Таким образом, внешняя граница нейтрона должна находиться от центра на расстоянии более 4,4496 ∙10^-16 м. Получилась величина почти равная радиусу протона и это не удивительно. Радиус элементарной частицы определяется квантовым числом L и величиной массы покоя. У обеих частиц одинаковый набор квантовых чисел L и M_L, а массы покоя незначительно отличаются.

2.1 Радиус нейтрона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для нейтрона это будет 3,3518 ∙10^-16 м. К этому надо добавить еще радиус слоя кольцевого переменного электромагнитного поля нейтрона 1,0978 ∙10^-16 м. Тогда получится

для нейтрона это будет 4,4496 ∙10^-16 м. Таким образом, внешняя граница нейтрона должна находиться от центра на расстоянии более 4,4496 ∙10^-16 м. Получилась величина почти равная радиусу протона и это не удивительно. Радиус элементарной частицы определяется квантовым числом L и величиной массы покоя. У обеих частиц одинаковый набор квантовых чисел L и M_L, а массы покоя незначительно отличаются.

2.2 Магнитный момент нейтрона

В противовес квантовой теории полевая теория элементарных частиц утверждает, что магнитные поля элементарных частиц не создаются спиновым вращение электрический зарядов, а существуют одновременно с постоянным электрическим полем как постоянная составляющая электромагнитного поля. Поэтому магнитные поля есть у всех элементарных частиц с квантовым числом L>0.

Полевая теория элементарных частиц не считает магнитный момент нейтрона аномальным - его величина определяется набором квантовых чисел в той степени, в какой квантовая механика работает в элементарной частице.

Так магнитный момент нейтрона создается током:

• • (0) с магнитным моментом -1 eħ/m_0nc

Далее умножаем его на процент энергии переменного электромагнитного поля нейтрона разделенный, на 100 процентов, и переводим в ядерные магнетоны. При этом не следует забывать, что ядерные магнетоны учитывают массу протона (m_0p), а не нейтрона (m_0n), так что полученный результат надо умножить на отношение m_0p/m_0n. В итоге получим 1,91304.

2.3 Электрическое поле нейтрона

Несмотря на нулевой электрический заряд, согласно полевой теории элементарных частиц у нейтрона должно быть постоянное электрическое поле. У электромагнитного поля, из которого состоит нейтрон, имеется постоянная составляющая, а, следовательно, у нейтрона должны быть постоянное магнитное поле и постоянное электрическое поле. Поскольку электрический заряд равен нулю то постоянное электрическое поле будет дипольным. То есть у нейтрона должно быть постоянное электрическое поле аналогичное полю двух распределенных параллельных электрических зарядов равных по величине и противоположного знака. На больших расстояниях электрическое поле нейтрона будет практически незаметно из-за взаимной компенсации полей обоих знаков заряда. Но на расстояниях порядка радиуса нейтрона это поле будет оказывать существенное влияние на взаимодействия с другими элементарными частицами близких по размерам. Это, прежде всего, касается взаимодействия в атомных ядрах нейтрона с протоном и нейтрона с нейтроном. Для нейтрон - нейтронного взаимодействия это будут силы отталкивания при одинаковом направлении спинов и силы притяжения при противоположном направлении спинов. Для нейтрон – протонного взаимодействия знак силы зависит не только от ориентации спинов, но еще и от смещения между плоскостями вращения электромагнитных полей нейтрона и протона.

Итак, у нейтрона должно быть дипольное электрическое поле двух распределенных параллельных симметричных кольцевых электрических зарядов (+0.75e и -0.75e), среднего радиуса r_e , расположенных на расстоянии s

где ħ - постоянная Планка, L - главное квантовое число в полевой теории элементарных частиц, e - элементарный электрический заряд, m₀ - масса покоя нейтрона, m_0~ - масса покоя нейтрона, заключенная в переменном электромагнитном поле, c - скорость света, P - вектор электрического дипольного момента (перпендикулярен плоскости нейтрона, проходит через центр частицы и направлен в сторону положительного электрического заряда), s - среднее расстояние между зарядами, r_e - электрический радиус элементарной частицы.

Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+2/3e=+0.666e и -2/3e=-0.666e) в нейтроне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая нейтральная элементарная частица, независимо от величины спина и ... .

Потенциал электрического дипольного поля нейтрона в точке (А) (в ближней зоне 10s>r>s приблизительно), в системе СИ равен:

где θ - угол между вектором дипольного момента P и направлением на точку наблюдения А, r₀ - нормировочный параметр равный r₀=0.8568Lħ/(m_0~c), ε₀ - электрическая постоянная, r - расстояние от оси (вращения переменного электромагнитного поля) элементарной частицы до точки наблюдения А, h - расстояние от плоскости частицы (проходящей через ее центр) до точки наблюдения А, h_e- средняя высота расположения электрического заряда в нейтральной элементарной частице (равна 0.5s), |...| - модуль числа, P_n - величина вектора Pn. (В системе СГС отсутствует множитель).

Напряженность E электрического дипольного поля нейтрона (в ближней зоне 10s>r>s приблизительно), в системе СИ, где n=r/|r| - единичный вектор из центра диполя в направлении точки наблюдения (А), точкой (•) обозначено скалярное произведение, жирным шрифтом выделены вектора. В системе СГС отсутствует множитель

Компоненты напряженности электрического дипольного поля нейтрона (в ближней зоне 10s>r>s приблизительно) продольная ( | | ) (вдоль радиус-вектора, проведенного от диполя в данную точку) и поперечная (_|_) в системе СИ:

где θ - угол между направлением вектора дипольного момента P_n и радиус-вектором в точку наблюдения в системе СГС отсутствует множитель.

Третья компонента напряженности электрического поля - ортогональная плоскости, в которой лежат вектор дипольного момента Pn нейтрона и радиус-вектор, - всегда равна нулю.

Потенциальная энергия U взаимодействия электрического дипольного поля нейтрона (n) с электрическим дипольным полем другой нейтральной элементарной частицы (2) в точке (А) в дальней зоне (r>>s), в системе СИ равна:

где θ_n2 - угол между векторами дипольных электрических моментов P_n и P₂, θ_n - угол между вектором дипольного электрического момента P_n и вектором r, θ₂ - угол между вектором дипольного электрического моментаP₂ и вектором r, r - вектор из центра дипольного электрического момента pn в центр дипольного электрического момента P₂(в точку наблюдения А). В системе СГС отсутствует множитель.

Нормировочный параметр r₀ вводится с целью уменьшения отклонения значения E, от рассчитанного с помощью классической электродинамики и интегрального исчисления в ближней зоне. Нормировка происходит в точке, лежащей в плоскости параллельной плоскости нейтрона, удаленной от центра нейтрона на расстояние (в плоскости частицы) r_0~ и со смещением по высоте на h=ħ/2m_0~c, где m_0~ - величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося нейтрона (для нейтрона m_0~= 0.95784 m). Для каждого уравнения параметр r₀ рассчитывается самостоятельно. В качестве приблизительного значения можно взять полевой радиус:

Из всего вышесказанного следует, что электрическое дипольное поле нейтрона (о существовании которого в природе, физика 20 века не догадывалась, или приписывала сказочным кваркам), согласно законам классической электродинамики, будет взаимодействовать с заряженными элементарными частицами.

2.4 Масса покоя нейтрона

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, масса покоя элементарных частиц с квантовым числом L>0, в том числе и нейтрона, определяется как эквивалент энергии их электромагнитных полей:

где определенный интеграл берется по всему электромагнитному полю элементарной частицы, E - напряженность электрического поля, H - напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты электромагнитного поля: постоянное электрическое поле (которое у нейтрона есть), постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле. Эта маленькая, но очень емкая для физики формула, на основании которой получены уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отправит в утиль не одну сказочную "теорию" - поэтому ее возненавидят некоторые их авторы.

Как следует из приведенной формулы, величина массы покоя нейтрона зависит от условий, в которых нейтрон находится. Так поместив нейтрон в постоянное внешнее электрическое поле (например, атомное ядро), мы повлияем на E², что отразится на массе нейтрона и его стабильности. Аналогичная ситуация возникнет при помещении нейтрона в постоянное магнитное поле. Поэтому некоторые свойства нейтрона внутри атомного ядра, отличаются от тех же свойств свободного нейтрона в вакууме, вдали от полей.

2.5 Время жизни нейтрона

Указанное в таблице время жизни 885,7 секунды соответствует свободному нейтрону.

Полевая теория элементарных частиц утверждает, что время жизни элементарной частицы зависит от условий, в которых она находится. Поместив нейтрон во внешнее поле (например, магнитное) мы изменяем энергию, содержащуюся в его электромагнитном поле. Можно выбрать направление внешнего поля так, чтобы внутренняя энергия нейтрона уменьшилась. В результате при распаде нейтрона выделится меньше энергии, что затруднит распад и увеличит время жизни элементарной частицы. Можно подобрать такую величину напряженности внешнего поля, что распад нейтрона будет требовать дополнительной энергии и, следовательно, нейтрон станет стабильным. Именно это наблюдается в атомных ядрах (например, дейтерия), в них магнитное поле соседних протонов не допускает распад нейтронов ядра. В прочем при внесении в ядро дополнительной энергии распады нейтронов вновь могут стать возможными.

3 Нейтрон в Стандартной модели

Утверждается, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (предполагаемая кварковая структура нейтрона: udd), а протон имеет (кварковую структуру uud). Близость значений масс протона и нейтрона объясняется близостью масс гипотетических кварков (u и d).

Поскольку наличие кварков в природе экспериментально не доказано, а имеются лишь косвенные свидетельства, которые можно интерпретировать как наличие следов кварков в некоторых взаимодействиях элементарных частиц, но можно и интерпретировать иначе, то утверждение Стандартной модели, что нейтрон обладает кварковой структурой остается всего лишь бездоказательным предположением.

Любая модель, в том числе и Стандартная вправе предположить любую структуру элементарных частиц включая нейтрона, но пока на ускорителях не будут обнаружены соответствующие частицы, из которых якобы состоит нейтрон, утверждение модели следует считать не доказанным.

Физика экспериментально доказала, что нейтрон обладает электромагнитными полями (нулевая величина суммарного электрического заряда, еще не означает отсутствие дипольного электрического поля, что косвенно вынуждена была признать даже Стандартная модель, введя электрические заряды у элементов структуры нейтрона), и еще гравитационным полем.

Владимир Горунович