Strona głównaPytania → Czy energia wiązań kwarków w...

Czy energia wiązań kwarków w neutronie jest mniejsza od energii wiązań w protonie?

Pytanie

Pyta Damian

Czy energia wiązań kwarków w neutronie jest mniejsza od energii wiązań w protonie? Czy może jest taka sama?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

W przypadku atomów lub jąder atomowych energię wiązania definiujemy następująco:

$$
E = ( M – \sum_i m_i ) c^2,
$$

gdzie $M$ jest masą stanu związanego, $\sum_i m_i$ – sumą mas jego składników, a $c$ to prędkość światła. Energia ta jest ujemna. W przypadku nukleonów traktowanych jako stany związane kwarków powyższy wzór daje wynik dodatni. Nie oznacza to jednak, że nukleony mogą rozpaść się na kwarki, gdyż kwarki mogą występować jedynie w stanach związanych.

Gdyby masy kwarków wynosiły zero, nukleony pozostałyby masywnymi stanami związanymi, lżejszymi od faktycznie obserwowanych tylko o około 6%. W takim przypadku proton byłby trochę cięższy od neutronu, ze względu na większe odpychanie elektromagnetyczne w układzie $uud$ (proton) w porównaniu z układem $udd$ (neutron). Swobodne protony byłyby wtedy niestabilne, nie byłoby ani wodoru, ani wody, ani nas. Na szczęście kwarki mają masy, a kwark $d$ jest ponad dwukrotnie cięższy od kwarku $u$. Różnica mas kwarków kompensuje z niewielkim nadmiarem wspomniany wyżej efekt oddziaływania elektromagnetycznego, w wyniku czego neutron staje się o około 1 promil cięższy od protonu.