общее название протона и нейтрона - частиц, из которых состоят ядра атомов. На нуклоны приходится основная часть массы атома. Несмотря на различие в некоторых свойствах и поведении, нейтроны и протоны, по мнению физиков, достаточно сходны, чтобы считать их членами одного семейства, подобно тому как биологи относят к единому виду собак и волков. Так, их массы различаются не более чем на 1%, а спины одинаковы. Кроме того, почти одинаковы силы, действующие между двумя нейтронами или двумя протонами на малых расстояниях (10-15 м и меньше). Наиболее существенное различие между протоном и нейтроном - наличие у протона электрического заряда, которого нейтрон, как это видно из его названия, не имеет.
Ядро простейшего атома - атома водорода - представляет собой протон. Ядра остальных атомов состоят из протонов и нейтронов. То, что ядро водорода является фундаментальной частицей вещества, установил Э.Резерфорд, который показал, что масса положительного заряда атома сконцентрирована в очень малой области пространства, и назвал его протоном. Масса протона составляет 1,67?10-24 г, т.е. примерно в 1836 раз превышает массу электрона. Электрический заряд протона (1,6?10-19 Кл) равен по величине, но противоположен по знаку заряду электрона. Подобно электрону, протон обладает отличным от нуля спином, который можно представить себе как характеристику вращения частицы вокруг своей оси, подобного суточному вращению Земли. Спин протона равен h /2?, где h - фундаментальная физическая константа, называемая постоянной Планка. Если протон находится в магнитном поле, то его спин прецессирует подобно волчку, прецессирующему под действием силы тяжести. Скорость этой прецессии определяется магнитным моментом, который у протона равен 1,4?10-26 Дж/Тл и направление которого совпадает с направлением спина (т.е. оси вращения).
Хотя Резерфорд еще в 1920 допускал существование в ядрах нейтронов, первые убедительные доказательства существования этих частиц принесла работа его ассистента Дж.Чедвика в 1932. Чедвик облучал бериллий альфа-частицами радиоактивного источника. Тогда уже было известно, что облученный бериллий становится источником нового излучения. Это излучение при столкновении с другими ядрами выбивает из них протоны. Чедвик предположил, что излучение бериллия представляет собой поток частиц с массой, примерно такой же, как у протона, но без электрического заряда. Он назвал такие частицы нейтронами.
Масса нейтрона несколько превышает массу протона и в 1839 раз массу электрона. Как и у протона, спин нейтрона равен h/2?. У нейтрона есть и магнитный момент, равный 9?10-27 Дж/Тл, т.е. примерно 2/3 магнитного момента протона. Но, в отличие от протона (см. выше), магнитный момент нейтрона ориентирован противоположно его спину (оси вращения). Существование магнитного момента у нейтрона - частицы, не имеющей электрического заряда, - указывает на то, что эта частица вряд ли элементарна и, скорее, построена из других частиц, в том числе и из имеющих электрический заряд.
В современной физике представление о структуре нуклонов опирается на кварковую модель. Согласно последней, нуклоны состоят из более простых частиц трех типов, названных кварками. Если электрический заряд протона обозначить через е, то протон будет содержать два кварка с зарядом +(2/3е) и один кварк с зарядом -(1/3е), а нейтрон - один кварк с зарядом +(2/3е) и два кварка с зарядом -(1/3)е. Кварковая модель получила убедительное подтверждение в опытах по рассеянию электронов высоких энергий, которые, взаимодействуя с нуклонами, выявили наличие у них внутренней структуры.
В отличие от протона нейтрон нестабилен; в среднем через 15 мин свободный нейтрон самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино. Нейтроны, входящие в состав стабильных ядер, подобных превращений не испытывают.
Благодаря наличию заряда и магнитного момента протоны реагируют на электрические и магнитные поля. Примером может служить ядерная магнитная томография. Спины протонов испытывают прецессию в магнитном поле. Регистрируя сигналы ядерного магнитного резонанса этих протонов при воздействии внешнего электромагнитного излучения, можно получить картину распределения атомов водорода в веществе. Манипулировать нейтронами труднее. Зато благодаря отсутствию электрического заряда нейтроны гораздо легче, нежели заряженные частицы, проникают в атомные ядра. При этом нейтроны вызывают превращения, подобные делению ядер, которое служит источником получения электрической энергии в огромных масштабах. См. также АТОМ; МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР; МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС; ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ; ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ.