Протон

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Протон
Символ \(p,\quad p^+\)
Масса 938,272 046(21) МэВ
Античастица Антипротон \((\bar{p})\!\)
Классы фермион, адрон, барион, N-барион, нуклон
Квантовые числа
Электрический заряд +1
Спин 1/2
Изотопический спин 1/2
Барионное число 1
Странность 0
Очарование 0
Другие свойства
Время жизни >2,9×1029 лет
Схема распада нет
Кварковый состав uud

Прото́н (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — элементарная частица, имеющая положительный электрический заряд и входящая в состав ядра каждого атома. Общим названием для протонов и нейтронов является нуклон.

Свободный протон, не связанный с нуклонами, электронами и другими частицами, является стабильным и не испытывает распада. Протон быстро связывается с электронами, поэтому свободные протоны наблюдаются лишь при достаточно больших энергиях или температуре среды, в состоянии плазмы. При движении быстрых протонов в веществе они тормозятся за счёт столкновений с ядрами и электронными облаками, производя ионизацию атомов, а затем вступают в химическую реакцию или захватывают электрон, превращаясь в атомы водорода.

Протоны составляют более 90 % частиц, входящих в состав космических лучей. В составе водорода протоны составляют основу молекулярных облаков, распространённых в межзвёздном пространстве. В земных условиях атомы водорода соединяются в молекулы, образуя газ, который используется в промышленности для различных целей. Ускоренные протоны являются важным источником частиц в ускорителях.

Распады нейтронов приводят к образованию протонов, электронов и антинейтрино. Кроме этого, протоны могут излучаться некоторыми атомными ядрами при их радиоактивном распаде.

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.

Физические свойства[править]

Протон относится к барионам, имеет спин 1/2, электрический заряд +1 в единицах элементарного заряда, что равно 1,602176565(35) × 10−19 К. Электрический дипольный момент не превышает значения 5,4 × 10−24 К•см. Электрическая поляризуемость протона равна 1,20(6) × 10−48 м3 ,[1] а магнитная поляризуемость равна 1,9(5) × 10−49 м3.

Магнитный момент протона равен 1,410606743(33) × 10−26 Дж•Т−1, что в 2,792847356(23) раз больше амплитуды магнитного момента нейтрона. Отношение магнитного момента протона к магнетону Бора равно 1,521032210(12)  × 10−3.

В физике элементарных частиц протон рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1/2 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Протон участвует в четырёх фундаментальных взаимодействиях, среди которых гравитация, электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие, слабое взаимодействие.

Структура[править]

Согласно квантовой хромодинамике, протон является фермионом со спином ½ и состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). Предполагается, что кварки связаны друг с другом посредством сильного взаимодействия, переносчиком которого являются глюоны. В теории также допускается наличие внутри протона виртуальных (морских) кварков. Сильное взаимодействие кварков за пределами протонов и нейтронов превращается в ядерные силы, скрепляющие нуклоны в атомных ядрах.

Масса[править]

Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет:

(рекомендованные значения CODATA 2010 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение).

В стандартной модели масса трёх токовых кварков, образующих протон, составляет около 1 % массы протона. Считается, что остальная масса протона возникает за счёт кинетической энергии движения этих кварков и массы-энергии глюонного поля.[3]

В квантовой хромодинамике масса протона вычисляется наиболее точно с помощь методики, называемой КХД на решётке или решёточной КХД. [4]

Радиус[править]

В первом приближении распределение заряда внутри протона может быть описано экспоненциальной функцией. [5]

Зарядовый радиус протона по данным CODATA составляет 0,8775(51) фм. [2] К известным способам оценки радиуса протона относятся эксперименты по рассеянию электронов, фотонов и нуклонов на протонной мишени, [6] и эксперименты с системой из протона и отрицательного мюона. [7] В зависимости от типа эксперимента и способа обработки результатов, получаются несколько отличающиеся величины радиуса, требующие дополнительного объяснения.

Стабильность[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Распад протона

Протон считается стабильной частицей, так как распад свободного протона никогда не наблюдался. Некоторые Теории Великого объединения в физике элементарных частиц предсказывают распад протона с временем его жизни порядка 1036 лет. С целью определения времени жизни протона проводились различные эксперименты в отношении возможных его распадов на разные частицы.

Нижнее ограничение на время жизни протона — 2,1×1029 лет независимо от канала распада, было получено в нейтринной лаборатории в Канаде (Sudbury Neutrino Observatory). [8] В эксперименте изучалось гамма-излучение, которое могло появиться при распаде протона в составе ядра кислорода-16.

Время жизни 6,6×1033 лет для распада протона на антимюон и нейтральный пион, и 8,2×1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион дали эксперименты на детекторе в Super-Kamiokande, Япония. [9]

Несмотря на свою стабильность, протон может превратиться в нейтрон в таком процессе, как электронный захват (или обратный бета-распад). Уравнение реакции подразумевает излучение электронного нейтрино: $$~p^+ + e^- \rightarrow n + \nu_e .$$

В обратной реакции бета-распада свободный нейтрон самопроизвольно, с периодом порядка 15 минут, распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино.

Химические свойства[править]

Зарядовое число[править]

Протоны (вместе с нейтронами) являются основными составляющими атомных ядер. Порядковый номер химического элемента в периодической таблице определяется зарядом ядра его атомов, который, в свою очередь, равен количеству протонов в ядре (протонному числу). В нейтральном атоме количество отрицательно заряженных электронов в электронной оболочке атома и количество положительно заряженных протонов в ядре атома одинаково и суммарный заряд атома равен нулю. Химические свойства атомов зависят от количества имеющихся у них электронов, поэтому можно считать, что зарядовое число характеризует и химические свойства.

Кроме зарядового числа, у атомов в ядре имеется некоторое число нейтронов. В зависимости от числа нейтронов, ядра с одним и тем же зарядовым числом принадлежат тому или иному изотопу химического элемента.

Ион водорода[править]

Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле является ядром атома водорода (точнее, его лёгкого изотопапротия) без электрона. В физике протон обозначается буквой p (или p+). Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) — H+, астрофизическое — HII.

Свободный протон является химически активным реагентом и потому имеет малое время жизни в химических системах, где быстро захватывает электронное облако у какой-нибудь молекулы. В водных растворах водород образует гидроксоний, H3O+, который затем может войти в более сложные катионы с молекулами воды, например в [H5O2]+ и [H9O4]+.[10]

В протонной теории Брёнстеда — Лоури кислоты являются донорами протонов, а основания – акцепторами протонов. В химической реакции, сопровождающейся переносом протона, всегда имеется и кислота и основание. В биохимии используется термин протонный насос, обычно для обозначения мембранного белкового аппарата, служащего для переноса гидроксония через мембраны клеток и митохондрий.

Ионы тяжёлого водорода, дейтерия и трития, лишённые электронов, называются дейтрон и тритон, соответственно.

Протонный магнитный резонанс[править]

В химии связанные в молекулах протоны могут быть обнаружены и исследованы с помощью протонного магнитного резонанса. В этом методе используется эффект переворота спина протонов под действием радиоизлучения соответствующей частоты.

История[править]

В 1815 году Уильям Праут предположил, что все атомы состоят из атомов водорода, основываясь на том, что относительная атомная масса химических элементов приблизительно пропорциональна целым числам. Более точные измерения показали, что гипотеза Праута неверна. В 1886 году Eugen Goldstein открыл анодные (каналовые) лучи и показал, что они являются потоком положительно заряженных ионов, образующихся в газе. Отношение массы к заряду ионов у разных газов оказалось различным, достигая минимума у водородных ионов. В 1896 в катодных лучах был открыт отрицательно заряженный электрон.

После открытия Резерфордом атомных ядер в 1911 году, Антониус ван ден Брук предположил, что атомный номер химического элемента, задающий положение элемента в периодической таблице, равен заряду ядра. Генри Мозли подтвердил это экспериментально в 1913 году с помощью рентгеноспектрального анализа.

Открытие протона относится к 1917 году, когда Резерфорд своими экспериментами доказал, что ядро водорода присутствует также в других атомах. [11] До этого Резерфорд обнаружил ядра водорода с помощью сцинтилляционных счётчиков в водородном газе, после облучения газа альфа-частицами. Облучение альфа-частицами воздуха и азота также производило ядра водорода. При столкновении альфа-частицы с ядром азота возникает кислород-17 и вылетает протон, ядерная реакция записывается следующим образом: 14N + α → 17O + p.

Открытия Резерфорда показали, что не весь атом водорода, как это предполагал Праут, а только ядро водорода, является наименьшей и универсальной частицей, входящей в состав каждого ядра. Резерфорд выбрал для наименования ядра водорода два названия – протон, основываясь на греческом слове πρῶτον, то есть первый, и prouton, в честь Праута. [12] В 1920 году Британская ассоциация развития науки остановила свой выбор на слове протон, учитывая также название protyle, которое дал Праут водородному атому как универсальному объекту для всех атомов в своей гипотезе.

Действие протонного излучения[править]

Комплект научных инструментов для исследования лунной поверхности по программе «Аполлон» ALSEP определил, что более 95 % частиц в солнечном ветре представляют собой поровну протоны и электроны. [13] [14]

Поскольку спектрометр солнечного ветра делает непрерывные измерения, стало возможным измерить, как магнитное поле Земли действует на прилетающие частицы солнечного ветра. Приблизительно две трети своей орбиты Луна проходит за пределами основного магнитного поля Земли. При этом концентрация протонов колеблется от 10 до 20 штук в кубическом сантиметре, а скорости протонов лежат в интервале 400 – 600 км/с. В течение 5 дней Луна находится в геомагнитном поясе нашей планеты, где обычно частицы солнечного ветра отсутствуют. В остальное время Луна находится в промежуточном поясе, в магнитной оболочке, где магнитное поле Земли заметно действует на солнечный ветер. Здесь скорости протонов уменьшаются до 250 – 450 км/с, поток протонов снижается. Когда на Луне ночь, спектрометр закрывается от солнечного ветра Луной и протоны не регистрируются. [13]

Основными источниками солнечных протонов являются корональные выбросы массы. Протоны возникают также в других звёздах и видны в составе галактических космических лучей, где их доля достигает 90 %. Эти протоны могут иметь очень большие энергии по сравнению с солнечными протонами, а их поток заметно более однородный и изотропный.

В потоках протонов космические корабли приобретают положительный заряд.[15]

Протоны могут оказывать негативное действие на здоровье людей, особенно в космосе. [14] [16]

Проводимые исследования нацелены на определение того, какие хромосомы могут повреждаться потоками протонов, приводя к раковым заболеваниям. [14] Изучаются также нейрохимические и поведенческие нарушения, включая функции гормона дофамина, действие амфетамина, память и пространственную ориентацию. [16] Разрабатываются методы защиты от солнечных вспышек и галактических космических лучей. В космическом полёте Спейс Шаттла «Колумбия» по программе STS-65 и в аналогичных советских программах проводились различные медико-биологические исследования, включая влияние излучения протонов и тяжёлых ионов на микроорганизмы. [17]

Антипротон[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Антипротон

CPT-инвариантность связывает между собой частицы и античастицы, так что свойства антипротона могут быть определены через свойства протона. Сумма зарядов протона и антипротона должна равняться нулю, что было проверено с точностью 1 к 108, и с такой же точностью получено равенство их масс. Ловушка Пеннинга позволяет улучшить результат для отношения масс до точности 1 к 6 •109. [18]

Магнитный момент антипротона равен магнитному моменту протона с точностью 8 •10–3 ядерного магнетона, и противоположен по направлению.

Субстанциональная модель[править]

В теории бесконечной вложенности материи предполагается, что на уровне атомов и частиц действует сильная гравитация, удерживающая вещество элементарных частиц от распада, соединяющая нуклоны в ядрах и участвующая в образовании связей электронов с ядрами атомов. Рассматривается также модель кварковых квазичастиц, согласно которой кварки являются не настоящими частицами, а квазичастицами, пригодными лишь для описания свойств симметрии элементарных частиц. Отсюда следуют гравитационная модель сильного взаимодействия и субстанциональная модель протона. При известной величине постоянной сильной гравитации становится возможным вычислить радиус протона \(~ R_p =8,73\cdot 10^{-16}\) м. [19] и объяснить квантовый спин протона на основе равенства полного потока энергии гравитационного поля и потока кинетической энергии вращающегося вещества протона. [20]

Интересные факты[править]

  • Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 672 45(75) [2], с точностью до 0,002% равно значению \(6 \pi^5= 1836,118~108~711...\)
  • Ультрарелятивистские протоны (как и любые другие адроны, а также атомные ядра) для неподвижного наблюдателя имеют форму двояковогнутой линзы [21].

Литература[править]

  • Все известные свойства протона систематически изложены в публикации Particle Data Group. [2](англ.)

Примечания[править]

  1. Yao W.-M. et al., (Particle Data Group), Physics Letters, Vol. B667, P. 1 (2008) and 2009 partial update for the 2010 edition. [1]
  2. а б в г д е P.J. Mohr, B.N. Taylor, and D.B. Newell (2011), "The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants" (Web Version 6.0). This database was developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova. Available: http://physics.nist.gov/constants [Thursday, 02-Jun-2011 21:00:12 EDT]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.
  3. Quarks and Nuclei. — World Scientific, 1984. — С. 65–66. — ISBN 9971-966-61-1>
  4. S. Dürr, Z. Fodor, J. Frison, C. Hoelbling, R. Hoffmann, S. D. Katz, S. Krieg, T. Kurth, L. Lellouch, T. Lippert, K. K. Szabo, and G. Vulvert (21 November 2008). "Ab Initio Determination of Light Hadron Masses". Science 322 (5905): 1224–7. DOI:10.1126/science.1163233. PMID 19023076.
  5. Fundamentals in Nuclear Physics. — Springer, 2005. — ISBN 0-387-01672-4>
  6. Ingo Sick. On the rms-radius of the proton. Phys.Lett.B576:62-67,2003.
  7. Randolf Pohl at all. The size of the proton. Nature, 2010, Vol. 466, P. 213–216.
  8. S.N. Ahmed et al. (SNO Collaboration) (2004). "Constraints on nucleon decay via invisible modes from the Sudbury Neutrino Observatory". Physical Review Letters 92 (10). DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID 15089201.
  9. H. Nishino et al (Kamiokande collaboration) (2009). Search for Proton Decay via p → e + π0 and p → μ + π0 in a Large Water Cherenkov Detector. Physical Review Letters 102 (14): 141801. doi: 10.1103/PhysRevLett.102.141801.
  10. Headrick, J.M.; Diken, E.G.; Walters, R. S.; Hammer, N. I.; Christie, R.A. ; Cui, J.; Myshakin, E.M.; Duncan, M.A.; Johnson, M.A.; Jordan, K.D. (2005). "Spectral Signatures of Hydrated Proton Vibrations in Water Clusters". Science 308 (5729): 1765–69. DOI:10.1126/science.1113094. PMID 15961665.
  11. R.H. Petrucci, W.S. Harwood, and F.G. Herring. General Chemistry. 8th edition. page 41. (2002).
  12. Romer A (1997). "Proton or prouton? Rutherford and the depths of the atom". Amer. J. Phys. 65 (8). DOI:10.1119/1.18640.
  13. а б "Apollo 11 Mission". Lunar and Planetary Institute. 2009. Retrieved 2009-06-12. 
  14. а б в "Space Travel and Cancer Linked? Stony Brook Researcher Secures NASA Grant to Study Effects of Space Radiation". Brookhaven National Laboratory. 12 December 2007. Retrieved 2009-06-12. 
  15. N.W. Green and A.R. Frederickson. "A Study of Spacecraft Charging due to Exposure to Interplanetary Protons" (PDF). Jet Propulsion Laboratory. Retrieved 2009-06-12. 
  16. а б B. Shukitt-Hale, A. Szprengiel, J. Pluhar, B.M. Rabin, and J.A. Joseph. "The effects of proton exposure on neurochemistry and behavior". Elsevier/COSPAR. Retrieved 2009-06-12. 
  17. Space and life: an introduction to space biology and medicine. — CRC Press, 2004. — С. 135–138. — ISBN 0-415-31759-2>
  18. G. Gabrielse (2006). "Antiproton mass measurements". International Journal of Mass Spectrometry 251 (2–3): 273–280. DOI:10.1016/j.ijms.2006.02.013.
  19. Fedosin S.G. The radius of the proton in the self-consistent model. Hadronic Journal, 2012, Vol. 35, No. 4, P. 349 – 363; статья на русском языке: Радиус протона в самосогласованной модели.
  20. Комментарии к книге: Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0
  21. Иванов И. «Какую форму имеет быстро летящий протон?» = B. Blok, L. Frankfurt, M. Strikman. On the shape of a rapid hadron in QCD.

См. также[править]

Внешние ссылки[править]