นิวคลีออน (Nucleon) พื้นฐานของโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส

ในทางฟิสิกส์และเคมี นิวคลีออน (Nucleon) คือคำเรียกโดยรวมของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งได้แก่ โปรตอน (Proton) และ นิวตรอน (Neutron) จำนวนของนิวคลีออนทั้งหมดในนิวเคลียสจะเป็นตัวกำหนดเลขมวล (Mass Number) ของอะตอมนั้นๆ

จากอนุภาคมูลฐานสู่โครงสร้างควาร์ก

จนถึงช่วงทศวรรษ 1960 นักวิทยาศาสตร์เคยเชื่อว่านิวคลีออนเป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่สามารถแบ่งย่อยได้อีก แต่ในปัจจุบันเราทราบแล้วว่านิวคลีออนเป็น อนุภาคประกอบ (Composite Particles) ซึ่งเกิดจาก ควาร์ก (Quarks) 3 ตัว ยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม (Strong Interaction)

การปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออนตั้งแต่สองตัวขึ้นไปเรียกว่า แรงระหว่างนิวคลีออน (Internucleon Interaction) หรือ แรงนิวเคลียร์ (Nuclear Force) ซึ่งเป็นแรงที่ยึดเหนี่ยวโปรตอนและนิวตรอนไว้ด้วยกันภายในนิวเคลียส

ความเชื่อมโยงระหว่างฟิสิกส์อนุภาคและฟิสิกส์นิวเคลียร์

นิวคลีออนตั้งอยู่บนจุดตัดระหว่างฟิสิกส์อนุภาคและฟิสิกส์นิวเคลียร์ โดยที่ฟิสิกส์อนุภาค (โดยเฉพาะ Quantum Chromodynamics หรือ QCD) จะอธิบายสมบัติของควาร์กและแรงอย่างเข้มที่ทำให้เกิดโปรตอนและนิวตรอน ในขณะที่ฟิสิกส์นิวเคลียร์จะศึกษาการรวมตัวของนิวคลีออนหลายตัวเป็นนิวเคลียส (Nuclide) โดยใช้แบบจำลองต่างๆ เช่น แบบจำลองชั้นนิวเคลียร์ (Nuclear Shell Model) เพื่อทำนายสมบัติของนิวเคลียสและการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี

คุณสมบัติของโปรตอนและนิวตรอน

โปรตอนและนิวตรอนมีสมบัติที่คล้ายคลึงกันมากจนสามารถมองว่าเป็นสองสถานะของนิวคลีออนชนิดเดียวกัน ซึ่งรวมกันเป็น Isospin Doublet โดยมีรายละเอียดดังนี้:

• โปรตอน: มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก (+e)
• นิวตรอน: มีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ (เป็นกลางทางไฟฟ้า)
• มวล: นิวตรอนมีมวลมากกว่าโปรตอนประมาณ 0.13%

องค์ประกอบภายใน (ควาร์ก)

นิวคลีออนแต่ละตัวประกอบด้วยควาร์ก 3 ตัว ดังนี้:

ควาร์กเหล่านี้ถูกยึดเหนี่ยวกันด้วย กลูออน (Gluons) ซึ่งเป็นอนุภาคสื่อนำแรงนิวเคลียร์อย่างเข้ม

สปินและหลักการกีดกันของเพาลี

นิวคลีออนมีสปินเท่ากับ 1/2 ซึ่งทำให้พวกมันเป็น เฟอร์มิออน (Fermions) และต้องปฏิบัติตาม หลักการกีดกันของเพาลี (Pauli Exclusion Principle) ซึ่งระบุว่าไม่มีนิวคลีออนสองตัวในนิวเคลียสเดียวกันที่จะอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกันได้ สิ่งนี้ส่งผลให้เกิดการจัดเรียงตัวเป็นชั้นๆ (Shells) คล้ายกับอิเล็กตรอนในอะตอม