Протон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Информация о частице

Прото́н (от Шаблон:Lang-grc — первый, основной) — элементарная частица. Относится к барионам, имеет спин 1/2 и положительный электрический заряд +1 [[элементарный электрический заряд|Шаблон:Math]]. СтабиленШаблон:Переход.

Протоны принимают участие в термоядерных реакциях, которые являются основным источником энергии, генерируемой звёздами. В частности, реакции pp-цикла, который является источником почти всей энергии, излучаемой Солнцем, сводятся к соединению четырёх протонов в ядро гелия-4 с превращением двух протонов в нейтроны.

Файл:Proton quark structure.svg
Кварковая структура протона

В физике протон обозначается Шаблон:Math (или Шаблон:Math). Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) — H+, астрофизическое — HII.

Открытие

Идея о водородоподобной частице как составной части других атомов развивалась в течение долгого времени. В 1815 году английский химик Праут предположил, что все атомы состоят из атомов водорода (которые он назвал "protyle"), основываясь на том, что атомные массы элементов в целое число раз превосходят массу атома водорода (Гипотеза Праута), хотя это не совсем точно[1].

В 1886 году Гольдштейн открыл каналовые лучи (известные также как анодные лучи) и показал, что это — положительно заряжённые частицы (ионы). Вильгельм Вин в 1898 году доказал, что самые лёгкие из них — ионы водорода (ныне называемые протонами). Действуя на движущиеся протоны электрическими и магнитными полями, Вильгельм Вин измерил отношение заряда протона к его массе[2].

В 1917 году (в опытах, опубликованных в 1919 и 1925 годах) Резерфорд заметил, что когда альфа-частицы попадают в воздух, на сцинтилляционных детекторах появляются вспышки от других, более лёгких (судя по длине пробега) частиц. В чистом азоте они появлялись чаще. В 1919 году году Резерфорд сделал вывод:

"Исходя из полученных до сих пор результатов, трудно избежать заключения, что атомы с большой длиной пробега, появившиеся при столкновении α-частиц с атомами азота, суть не атомы азота, а, по-видимому, атомы водорода или атомы с массой 2. Если это действительно так, то нам следует сделать вывод, что под действием мощных сил, возникающих при столкновении с быстрой α-частицей, атом азота расщепляется и что освободившийся при этом атом водорода является составной частью ядра азота".

Это событие часто называют открытием протона[3].

Слово "протон" предложил Резерфорд в 1920 году[4].

Свойства протона

Относится к барионам, имеет спин 12, электрический заряд +1 (в единицах элементарного электрического заряда). В физике элементарных частиц рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +12 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Состоит из трёх кварков (один [[d-кварк|Шаблон:Math-кварк]] и два [[u-кварк|Шаблон:Math-кварка]]). Стабилен.

Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет (рекомендованные значения CODATA 2018 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):

Внутренняя чётность протона равна 1Шаблон:Sfn.

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 43(11)[8], с точностью до 0,002 % равно значению 6Шаблон:Math5 = 1836,118…Шаблон:Значимость факта

Внутренняя структура протона впервые была экспериментально исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий (Шаблон:Nobr) с протонами (Нобелевская премия по физике 1961 г.)[9]. Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом Шаблон:Nobr, с высокой плотностью массы и заряда, которая несёт <math>\approx 35\,\%</math> электрического заряда протона, и окружающей его относительно разреженной оболочки. На расстоянии от Шаблон:Nobr до Шаблон:Nobr эта оболочка состоит в основном из виртуальных [[ро-мезон|Шаблон:Math]]- и [[пи-мезон|Шаблон:Math]]-мезонов, несущих ~50% электрического заряда протона, затем до расстояния Шаблон:Nobr простирается оболочка из виртуальных [[Омега-мезон|Шаблон:Math]]- и [[пи-мезон|Шаблон:Math]]-мезонов, несущих ~15 % его заряда[10][11].

Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 1035 Па (1030 атмосфер), то есть выше давления внутри нейтронных звёзд[12].

Магнитный момент протона измеряется путём измерения отношения резонансной частоты прецессии магнитного момента протона в заданном однородном магнитном поле и циклотронной частоты обращения протона по круговой орбите в том же самом поле[13]. Он равен Шаблон:Nobr[14], или Шаблон:Nobr[15].

С протоном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины, в частности:

  • комптоновская длина волны <math>\lambda_{K} = {2 \pi \hbar}/{m c} \approx 1{,}32 \cdot 10^{-13}</math> см;
  • среднеквадратический радиус распределения электрического заряда (электрический радиус) <math>r_{E} \approx 0{,}84184 10^{-13}</math> см (см. ниже);
  • гравитационный радиус <math>R_{G} = {2 G m}/{c^2} \approx 2{,}48 \cdot 10^{-52}</math> см.

Измерения электрического радиуса протона с помощью атомов обычного водорода, проводимые разными методами с 1960-х годов, привели (CODATA-2014) к результату Шаблон:Nobr (Шаблон:Nobr)[16]. Первые эксперименты с атомами мюонного водорода (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат Шаблон:Nobr[17][18]. Причины этого различия окончательно не выяснены. Измерения лэмбовского сдвига в атоме обычного водорода, проведённые в 2019 году, дали значение 0,833±0,010 фм, что хотя и согласуется с данными, полученными из мюонного водорода, но по-прежнему противоречит данным старых экспериментов[19]. Позже в 2019 году были опубликованы результаты эксперимента PRad, выполненного в Лаборатории Джефферсона группой учёных под руководством А. Гаспаряна, в котором для определения радиуса протона использовалось рассеяние электронов. Результат оказался равен 0,831±0,007±0.012 фм[20]. В 2020 г. немецкие физики с помощью новейшей технологии спектроскопии частотной гребенки экспериментально определили размер ядра атома водорода с точностью до 13 знаков после запятой; это в два раза точнее, чем все предыдущие измерения[21].

Так называемый слабый заряд протона Шаблон:Math, определяющий его участие в слабых взаимодействиях путём обмена [[Z-бозон|Шаблон:Math-бозоном]] (аналогично тому как электрический заряд частицы определяет её участие в электромагнитных взаимодействиях путём обмена фотоном), составляет Шаблон:Nobr, согласно экспериментальным измерениям нарушения чётности при рассеянии поляризованных электронов на протонах[22]. Измеренная величина в пределах экспериментальной погрешности согласуется с теоретическими предсказаниями Стандартной модели (Шаблон:Nobr)[22].

Стабильность

Шаблон:Main

Свободный протон стабилен, экспериментальные исследования не выявили никаких признаков его распада (нижнее ограничение на время жизни — Шаблон:Nobr независимо от канала распада[23], Шаблон:Nobr для распада в позитрон и нейтральный пион, Шаблон:Nobr для распада в положительный мюон и нейтральный пион[24]). Поскольку протон является наиболее лёгким из барионов, стабильность протона является следствием закона сохранения барионного числа — протон не может распасться в какие-либо более лёгкие частицы (например, в позитрон и нейтрино) без нарушения этого закона. Однако многие теоретические расширения Стандартной модели предсказывают процессы (пока не наблюдавшиеся), следствием которых было бы несохранение барионного числа и, следовательно, распад протона.

Протон, связанный в атомном ядре, способен захватывать электрон с электронной K-, L- или M-оболочки атома (т. н. «электронный захват»). Протон атомного ядра, поглотив электрон, превращается в нейтрон и одновременно испускает нейтрино: Шаблон:Math. «Дырка» в K-, L- или M-слое, образовавшаяся при электронном захвате, заполняется электроном одного из вышележащих электронных слоев атома с излучением характеристических рентгеновских лучей, соответствующих атомному номеру Шаблон:Math, и/или Оже-электронов. Известно свыше 1000 изотопов от Шаблон:Sub supBe до Шаблон:Sub supDb, распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше Шаблон:Nobr) открывается конкурирующий канал распада — позитронный распад Шаблон:Math. Следует подчеркнуть, что эти процессы возможны только для протона в некоторых ядрах, где недостающая энергия восполняется переходом образовавшегося нейтрона на более низкую ядерную оболочку; для свободного протона они запрещены законом сохранения энергии.

Эффект Унру должен приводить к тому, что в неинерциальных системах отсчета протон (как и другие стабильные частицы) приобретает конечное время жизни[25] — открывается возможность его обратного бета-распада на нейтрон, позитрон и нейтрино Шаблон:Math, запрещённого законом сохранения энергии для покоящегося или равномерно движущегося протона[26][27]. Однако при достижимых в лаборатории ускорениях этот эффект мал и никогда не наблюдался экспериментально.

Протон в химии

Шаблон:Якорь Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле является ионом водорода (точнее, его лёгкого изотопа — протия) без электрона.

Протоны (вместе с нейтронами) являются основными составляющими атомных ядер. Порядковый номер химического элемента в периодической таблице (и, соответственно, все его химические свойства) полностью определяются зарядом ядра его атомов, который, в свою очередь, равен количеству протонов в ядре (протонному числу).

Положительно заряженный ион (катион) водорода — H+ в химии является мощным акцептором электронов и, соответственно, участвует в реакциях донорно-акцепторного взаимодействия. Протонирование, присоединение протона к веществу имеет важное значение во многих химических реакциях, например, при нейтрализации, электрофильном присоединении и электрофильном замещении, образовании ониевых соединений[28].

Источником протонов в химии являются минеральные (азотная, серная, фосфорная и другие) и органические (муравьиная, уксусная, щавелевая и другие) кислоты. В водном растворе кислоты способны к диссоциации с отщеплением протона, образующего катион гидроксония.

В газовой фазе протоны получают ионизацией — отрывом электрона от атома водорода. Потенциал ионизации невозбуждённого атома водорода составляет Шаблон:Nobr. При ионизации молекулярного водорода быстрыми электронами при атмосферном давлении и комнатной температуре первоначально образуется молекулярный ион водорода (H2+) — физическая система, состоящая из двух протонов, удерживающихся вместе на расстоянии Шаблон:Nobr одним электроном. Стабильность такой системы, по Полингу, вызвана резонансом электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной Шаблон:Nobr[29]. При повышении температуры до нескольких тысяч градусов состав продуктов ионизации водорода изменяется в пользу протонов — H+.

Применение

Пучки ускоренных протонов используются в экспериментальной физике элементарных частиц (изучение процессов рассеяния и получение пучков других частиц), в медицине (протонная терапия онкологических заболеваний)[30][31].

См. также

Шаблон:Wiktionary

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Шаблон:Внешние ссылки

Шаблон:Частицы

  1. Шаблон:Книга
  2. Шаблон:Статья
  3. Шаблон:Книга
  4. Шаблон:Книга Pais believed the first science literature use of the word proton occurs in Шаблон:Статья
  5. 2018 CODATA Recommended Values: proton mass energy equivalent in MeV
  6. 2018 CODATA Recommended Values: proton mass in u
  7. 2018 CODATA Recommended Values: proton mass
  8. 8,0 8,1 2018 CODATA Recommended Values: proton-electron mass ratio
  9. Хофштадтер P. Структура ядер и нуклонов // УФН. — 1963. — Т. 81, № 1. — С. 185—200. — ISSN. — URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
  10. Щёлкин К. И. Виртуальные процессы и строение нуклона // Физика микромира — М.: Атомиздат, 1965. — С. 75.
  11. Жданов Г. Б. Упругие рассеяния, периферические взаимодействия и резононы // Частицы высоких энергий. Высокие энергии в космосе и лаборатории — М.: Наука, 1965. — С. 132.
  12. Шаблон:Статья
  13. Бете, Г., Моррисон Ф. Элементарная теория ядра. — М: ИЛ, 1956. — С. 48.
  14. CODATA 2018 recommended values: proton magnetic moment to nuclear magneton ratio
  15. CODATA 2018 recommended values: proton magnetic moment
  16. Шаблон:Cite web
  17. Шаблон:Статья
  18. Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen
  19. Шаблон:Статья
  20. Шаблон:Cite web
  21. Размер протона определен с беспрецедентной точностью // РИА Новости,
  22. 22,0 22,1 Шаблон:Статья
  23. Шаблон:Статья
  24. Шаблон:Статья
  25. Шаблон:Статья
  26. Шаблон:Статья
  27. Шаблон:Статья
  28. Шаблон:Книга
  29. Шаблон:Книга
  30. Шаблон:Статья
  31. Шаблон:Статья