Протон

У этого термина существуют и другие значения, см. Протон (значения).
Протон (p, p+)
Proton quark structure.svg
Семья фермион
Группа адрон, барион, N-барион, нуклон
Участвует во взаимодействиях Сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное
Античастица Антипротон
Масса 938,272 088 16(29) МэВ[1]
1,672 621 923 69(51)⋅10−27 кг[2]
1,007 276 466 621(53) а. е. м.[3]
Время жизни ∞ (не менее 2,9⋅1029 лет[4])
Обнаружена Эрнест Резерфорд в 1919 году
В честь кого или чего названа От др.-греч. πρῶτος — первый, основной
Квантовые числа
Электрический заряд +1
Барионное число 1
Спин 1/2 ħ
Магнитный момент 2,792 847 344 63(82) ядерного магнетона[5], или 1,410 606 797 36(60)×10-26 Дж/Тл[6]
Внутренняя чётность 1
Изотопический спин 1/2
Странность 0
Очарование 0
Другие свойства
Кварковый состав uud
Схема распада нет
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

Прото́н (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — элементарная частица. Относится к барионам, имеет спин 1/2 и положительный электрический заряд +1 e. Стабилен[⇨].

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.

Кварковая структура протона

В физике протон обозначается p (или p+). 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[7].

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.[8]

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[9].

Слово "протон" предложил Резерфорд в 1920 году[10].


Свойства протона

Относится к барионам, имеет спин 1⁄2, электрический заряд +1 (в единицах элементарного электрического заряда). В физике элементарных частиц рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1⁄2 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-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 1.[13]

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 43(11)[12], с точностью до 0,002 % равно значению 6π5 = 1836,118…[значимость факта?]

Внутренняя структура протона впервые была экспериментально исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий (2 ГэВ) с протонами (Нобелевская премия по физике 1961 г.)[14]. Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом ≈0,25·10−13 см, с высокой плотностью массы и заряда, которая несёт электрического заряда протона, и окружающей его относительно разреженной оболочки. На расстоянии от ≈0,25·10−13 до ≈1,4·10−13 см эта оболочка состоит в основном из виртуальных ρ- и π-мезонов, несущих ~50% электрического заряда протона, затем до расстояния ≈2,5·10−13 см простирается оболочка из виртуальных ω- и π-мезонов, несущих ~15 % его заряда[15][16].

Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 1035 Па (1030 атмосфер), то есть выше давления внутри нейтронных звёзд[17].

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[18]. Он равен 2,792 847 344 63(82) ядерного магнетона[5], или 1,410 606 797 36(60)×10-26 Дж/Тл[6].

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

  • комптоновская длина волны см;
  • среднеквадратический радиус распределения электрического заряда (электрический радиус) см (см. ниже);
  • гравитационный радиус см.

Измерения электрического радиуса протона с помощью атомов обычного водорода, проводимые разными методами с 1960-х годов, привели (CODATA-2014) к результату 0,8751 ± 0,0061 фемтометра (1 фм = 10−15 м)[19]. Первые эксперименты с атомами мюонного водорода (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,84184 ± 0,00067 фм[20][21]. 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[22]. 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[23].

Так называемый слабый заряд протона Qw ≈ 1 − 4 sin2 θW, определяющий его участие в слабых взаимодействиях путём обмена Z0-бозоном (аналогично тому как электрический заряд частицы определяет её участие в электромагнитных взаимодействиях путём обмена фотоном), составляет 0,0719 ± 0,0045, согласно экспериментальным измерениям нарушения чётности при рассеянии поляризованных электронов на протонах[24]. Измеренная величина в пределах экспериментальной погрешности согласуется с теоретическими предсказаниями Стандартной модели (0,0708 ± 0,0003)[24].

Стабильность

Основная статья: Распад протона

Свободный протон стабилен, экспериментальные исследования не выявили никаких признаков его распада (нижнее ограничение на время жизни — 2,9⋅1029 лет независимо от канала распада[4], 1,6⋅1034 лет для распада в позитрон и нейтральный пион, 7,7⋅1033 лет для распада в положительный мюон и нейтральный пион[25]). 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: p+e− → n+νe. «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 Z − 1, и/или Оже-электронов. Известно свыше 1000 изотопов от 7
4Be до 262
105Db, распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше 2mec2 ≈ 1,022 МэВ) открывается конкурирующий канал распада — позитронный распад p → n+e++νe. 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[26] — открывается возможность его обратного бета-распада на нейтрон, позитрон и нейтрино p → n+e++νe, запрещённого законом сохранения энергии для покоящегося или равномерно движущегося протона[27][28]. Однако при достижимых в лаборатории ускорениях этот эффект мал и никогда не наблюдался экспериментально.

Протон в химии

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[29].

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 13,595 эВ. 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 1,06 Å одним электроном. Стабильность такой системы, по Полингу, вызвана резонансом электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной 7·1014 с−1[30]. 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)[31][32].

См. также

Логотип Викисловаря В Викисловаре есть статья «протон»

Примечания

  1. ↑ https://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants --- Complete Listing
  2. ↑ 1 2 2018 CODATA Recommended Values: proton mass
  3. ↑ 1 2 2018 CODATA Recommended Values: proton mass in u
  4. ↑ 1 2 Ahmed S. et al. Constraints on Nucleon Decay via Invisible Modes from the Sudbury Neutrino Observatory (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2004. — Vol. 92, no. 10. — P. 102004. — doi:10.1103/PhysRevLett.92.102004. — Bibcode: 2004PhRvL..92j2004A. — arXiv:hep-ex/0310030. — PMID 15089201.
  5. ↑ 1 2 CODATA 2018 recommended values: proton magnetic moment to nuclear magneton ratio
  6. ↑ 1 2 CODATA 2018 recommended values: proton magnetic moment
  7. ↑ Department of Chemistry and Biochemistry UCLA Eric R. Scerri Lecturer. The Periodic Table : Its Story and Its Significance: Its Story and Its Significance. — Oxford University Press, 2006-10-12. — ISBN 978-0-19-534567-4.
  8. ↑ Wien, Wilhelm (1904). “Über positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte”. Annalen der Physik. 318 (4): 669—677. Bibcode:1904AnP...318..669W. DOI:10.1002/andp.18943180404.
  9. ↑ Petrucci, R. H. General Chemistry / R. H. Petrucci, W. S. Harwood, F. G. Herring. — 8th. — Upper Saddle River, N.J. : Prentice Hall, 2002. — P. 41.
  10. ↑ Pais, A. Inward Bound. — Oxford University Press, 1986. — P. 296. — ISBN 0198519974. Pais believed the first science literature use of the word proton occurs in “Physics at the British Association”. Nature. 106 (2663): 357—358. 1920. Bibcode:1920Natur.106..357.. DOI:10.1038/106357a0.
  11. ↑ 2018 CODATA Recommended Values: proton mass energy equivalent in MeV
  12. ↑ 1 2 2018 CODATA Recommended Values: proton-electron mass ratio
  13. ↑ Широков, 1972, с. 67.
  14. ↑ Хофштадтер P. Структура ядер и нуклонов // УФН. — 1963. — Т. 81, № 1. — С. 185—200. — ISSN. — URL: https://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
  15. ↑ Щёлкин К. И. Виртуальные процессы и строение нуклона // Физика микромира — М.: Атомиздат, 1965. — С. 75.
  16. ↑ Жданов Г. Б. Упругие рассеяния, периферические взаимодействия и резононы // Частицы высоких энергий. Высокие энергии в космосе и лаборатории — М.: Наука, 1965. — С. 132.
  17. ↑ Burkert V. D., Elouadrhiri L., Girod F. X. The pressure distribution inside the proton (англ.) // Nature. — 2018. — May (vol. 557, no. 7705). — P. 396—399. — doi:10.1038/s41586-018-0060-z.
  18. ↑ Бете, Г., Моррисон Ф. Элементарная теория ядра. — М: ИЛ, 1956. — С. 48.
  19. ↑ Proton rms charge radius (англ.). Fundamental Physical Constants. NIST (2014). Дата обращения 3 апреля 2016.
  20. ↑ Pohl R. et al. The size of the proton (англ.) // Nature. — 2010. — 8 July (vol. 466, no. 7303). — P. 213—216. — doi:10.1038/nature09250. — Bibcode: 2010Natur.466..213P. — PMID 20613837.
  21. ↑ Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen
  22. ↑ N. Bezginov et al. A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius // Science. — 2019. — Vol. 365. — P. 1007-1012. — doi:10.1126/science.aau7807.
  23. ↑ New measurement yields smaller proton radius: Physicists get closer to solving the proton radius puzzle with unique new measurement of the charge radius of the proton (англ.). ScienceDaily. Дата обращения 9 ноября 2019.
  24. ↑ 1 2 The Jefferson Lab Qweak Collaboration. Precision measurement of the weak charge of the proton (англ.) // Nature. — 2018. — May (vol. 557, no. 7704). — P. 207—211. — doi:10.1038/s41586-018-0096-0.
  25. ↑ K. Abe et al. (Super-Kamiokande Collaboration). Search for proton decay via and in 0.31 megatonyears exposure of the Super-Kamiokande water Cherenkov detector (англ.) // Physical Review D. — 2017-01-06. — Vol. 95, iss. 1. — P. 012004. — doi:10.1103/PhysRevD.95.012004.
  26. ↑ Mueller R. Decay of accelerated particles (англ.) // Phys. Rev. D. — 1997. — Vol. 56. — P. 953—960. — doi:10.1103/PhysRevD.56.953. — arXiv:hep-th/9706016.
  27. ↑ Vanzella D. A. T., Matsas G. E. A. Decay of accelerated protons and the existence of the Fulling-Davies-Unruh effect (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2001. — Vol. 87. — P. 151301. — doi:10.1103/PhysRevLett.87.151301. — arXiv:gr-qc/0104030.
  28. ↑ Suzuki H., Yamada K. Analytic Evaluation of the Decay Rate for Accelerated Proton (англ.) // Phys. Rev. D. — 2003. — Vol. 67. — P. 065002. — doi:10.1103/PhysRevD.67.065002. — arXiv:gr-qc/0211056.
  29. ↑ Химический энциклопедический словарь / гл. редактор И.Л.Кнунянц. — М.: «Советская энциклопедия», 1983. — С. 484. — 792 с.
  30. ↑ Л. Паулинг. Природа химической связи. — Госхимиздат, 1947. — С. 26. — 440 с.
  31. ↑ Гольдин Л. Л., Джелепов В. П., Ломанов М. Ф., Савченко О. В., Хорошков В. С. Применение тяжелых заряженных частиц высокой энергии в медицине // УФН. — 1973. — Т. 110. — С. 77—99.
  32. ↑ Кокурина E. Лечебная подводная лодка // В мире науки. — 2017. — № 8/9. — С. 40—48.

Литература

  • Многие известные свойства протона систематически изложены в публикации Particle Data Group. [1] (англ.)
  • Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
  • Резерфорд Э. Избр. научные труды. Кн. 2 — Строение атома и искусственное превращение элементов, пер. с англ. М., 1972.
  • Жакоб М., Ландшофф П. Внутренняя структура протона // УФН. — 1981. — Т. 133, вып. 3. — С. 505—524. — doi:10.3367/UFNr.0133.198103d.0505.
  • Дрелл С. Д., Захариазен Ф. Электромагнитная структура нуклонов. — М.: ИЛ, 1962. — 175 с.
  • Шелест В. П. Лекции о структуре и свойствах адронов. — М: Атомиздат, 1976. — 248 с.