Кваркрвый и нуклонный уровни организации материи

В настоящее время в микромире выделяются следующие уровни вещества:

 молекулярный; атомный; нуклонный; кварковый; суперструнный. 

Нуклонный уровень  

Нуклон - это ядро атома. Атомное ядро представляет центральную часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома (не менее 99,95 %) и весь его положительный заряд. Ядро атома называет нуклон, оно состоит из протона и нейтрона.

 Протоны представляют собой элементарные частицы, которые являются ядрами атомов водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе химических элементов и обозначается Z (число нейтронов - N). Протон несет элементарный положительный заряд. Он в 1836,1 раз тяжелее электрона; его размеры 10-13 см. Протон состоит из двух и-кварков с зарядом 0=+2/3 и одного d-кварка с 0= -1/3, связанных глюонным полем.

 Нейтроны состоят из одного u-кварка и двух d-кварков. Электрический заряд его равен 0, масса ≈ 940 МэВ. Нейтрон стабилен в атомных ядрах. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Нейтрон, как и протон, участвует во всех видах взаимодействий.

 В ядре нуклоны связаны ядерными силами, которые на расстояниях порядка 10-15 м превышают любые другие силы, вследствие чего одноименно заряженные протоны не разлетаются под воздействием электростатического отталкивания. Размеры ядер атомов всех элементов порядка 10-15 – 10-14 м. Эта величина в десятки тысяч раз меньше размеров атома.

Кварковый уровень

Исходя из значения спина, все элементарные частицы можно разделить на две группы:

- частицы с целочисленным спином (0, 1, 2 ...) называются бозонами в честь известного физика Бозе. На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве. В макромире бозоны проявляют себя обычно на уровне полей;

- частицы с полуцелым значением спина (1/2, 3/2 ...) называются фермионами в честь великого физика Ферми. Они могут находиться вместе только при условии, что их физические состояния и параметры не одинаковы. В макромире фермионы проявляются на уровне вещества. В свою очередь, фермионы разделяются на лептоны и кварки.

Кварки - электрически заряженные частицы, но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, принятого за 1, и равны 1/3, 2/3 с положительным или отрицательным знаком. Класс кварков содержит 6 частиц и столько же античастиц. Каждый тип кварков физики условно назвали ароматом. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, обозначающих их названия: u - up - верх, d - down - низ, s - strange - странность, c - charmed - очарование, b - beauty - красота, t - truth - истина.

Аромат обозначает квантовое число, приписываемое частице данного типа. 

Кварки и антикварки группируются по 2 или по 3 частицы и образуют составные частицы адроны. Отдельно от адронов кварки существовать не могут. Большую часть комбинаций кварков составляют резонансы - неустойчивые короткоживущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы. Дальнейшие исследования показали, что кварки одного аромата не идентичны и различаются характером взаимодействием друг с другом. Поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число, которое условно назвали цветом. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три «цвета» - красный, зеленый и синий - отражает действительность.

Связь между массой и энергией

Важнейшее следствие теории относительности, играющее одну из главных ролей в ядерной физике и физике элементарных частиц - универсальная связь между энергией и массой. 

Эта связь следует из закона сохранения энергии и того факта, что масса тела зависит от скорости его движения. С помощью «Теории относительности» Эйнштейн установил формулу связи между энергией и массой: E=mc2 

Если изменяется энергия системы, то изменяется и ее масса. Заметные изменения массы возможны лишь при очень больших изменениях энергии. При химических реакциях или при нагревании  в обычных условиях изменения энергии настолько малы, что соответствующие изменения масс не удается обнаружить на опыте. Лишь при превращениях атомных ядер и элементарных частиц изменения энергии оказываются настолько большими, что изменение массы уже заметно. Например, при взрыве водородной бомбы выделяется около 1017Дж. Эта энергия превышает выработку электроэнергии на всем земном шаре за несколько дней. Выделяющаяся энергия уносится вместе с излучением. Излучение наряду с энергией обладает массой, которая составляет 0,1% массы исходных материалов.

Тело обладает энергией и при скорости, равной нулю. Это энергия покоя Ео: E0 = m0c2

При превращениях элемента частиц, обладающих массой покоя в частицы, у которых mо=0, энергия покоя целиком превращается в кинетическую энергию вновь образовавшихся частиц. Этот факт является наиболее очевидным экспериментальным доказательством существования энергии покоя.