Лайнус Полинг, Питер Полинг - Химия
Протон и нейтрон очень похожи по свойствам, за исключением того что протон имеет положительный заряд, а нейтрон электрически нейтрален. Масса нейтрона всего лишь примерно на 0,1% больше массы протона. Обе частицы имеют спин ½. Протон-протонные, протон-нейтронные и нейтрон-нейтронные межнуклонные силы, действующие на малых расстояниях, по существу одинаковы. Все эти факты несколько лет назад привели к представлению о том, что протон и нейтрон — просто два состояния одной частицы — нуклона.
В разд. 20.1 было отмечено, что электрон в атоме может иметь две ориентации спина по отношению к направлению магнитного поля или же две ориентации вектора момента количества движения по орбитали. Эти два направления, обозначаемые +½ и −½ соответственно, образуют, как принято называть, дублет. Такой дублет связан со спиновым квантовым числом ½. Отсюда следует, что протон и нейтрон могут составить электрический зарядовый дублет. Высказывалось предположение, что нуклону внутренне присущ электрический заряд, по величине равный +½ (в единицах e) и вектор электрического заряда, по величине равный ½, способный принимать две ориентации (но не в обычном трехмерном пространстве, а в некотором абстрактном пространстве), и, таким образом, он или вносит вклад +½ в окончательный заряд, что дает протон, или вносит вклад −½, что дает нейтрон. Согласно этому представлению, протон и нейтрон образуют два состояния электрического зарядового дублета некоторого нуклона с присущим ему зарядом +½ и электрическим вектором ½. Аналогичным образом антипротон и антинейтрон образуют два состояния антивещества соответствующего типа — антинуклона с внутренне присущим ему зарядом −½ и электрическим вектором ½.
В 1961 г. Роберт Хофстадтер и его сотрудники из Стэнфордского университета, а также группа исследователей Корнеллского университета опубликовали некоторые экспериментальные результаты, подтверждающие такое представление о протоне и нейтроне. Эти физики изучали рассеяние быстрых электронов протонами и нейтронами и на основании полученных данных смогли установить распределение электрического заряда в протоне и нейтроне.
Они считают, что как протон, так и нейтрон можно описать, приняв, что они состоят из центральной сферы положительного заряда, имеющего величину несколько менее 0,5 e, причем радиус такой сферы составляет около 0,3 фм. Такая сфера окружена оболочкой с радиусом около 1 фм с положительным зарядом +½ e в случае протона и отрицательным зарядом −½ e в случае нейтрона. Кроме того, протон и нейтрон имеют как бы обрамление — внешнюю оболочку из положительного электричества приблизительно 0,15 e, простирающуюся на расстояние около 1,5 фм.
Возможно, что такое обрамление представляет собой короткоживущие мезоны, которые определяют механизм возникновения сильного взаимодействия между нуклонами. Если исключить такое облако мезонов, окружающее нуклон, то нуклон можно описать в двух его состояниях (протон и нейтрон) следующим образом: он состоит из центрального сферического положительного заряда +½ e, который можно отождествить с зарядом, внутренне присущим нуклону, и оболочки +½ e для протона и −½ e для нейтрона, представляющей компоненту электрического вектора.
Такие выводы о структуре нуклона позволяют надеяться на большие успехи в будущем, которые приведут к пониманию фундаментальных основ Вселенной.
Известен и ряд других зарядовых дублетов, отвечающих двум компонентам электрического вектора ½ (называемого также изотопическим спином). Кроме того, как показывают данные таблиц, приведенных в последующих разделах, имеется ряд зарядовых триплетов — групп из трех частиц с весьма близкими свойствами, за исключением электрического заряда (+1, 0 и −1). Эти зарядовые триплеты можно считать тремя состояниями одной частицы с электрическим вектором 1, который может иметь компоненту +1, 0 и −1. Такой триплет образуют три пиона π+, π0, π− (разд. 20.9).