Протон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Протон
Символ p, p+
Масса 938,272 0813(58) МэВ[1]
1,672 621 898(21)·10−27 кг[2]
1,007 276 466 879(91) а. е. м.[3]
Античастица Антипротон
Участвует во взаимодействиях Сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное
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 ∞ (не менее 2,9·1029 лет[4])
Схема распада нет
Кварковый состав uud


Прото́н (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — элементарная частица. Относится к барионам, имеет спин 1/2. 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.

Свойства протона[править | править вики-текст]

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 и два u-кварка). Стабилен.

Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет (рекомендованные значения CODATA 2014 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):

Внутренняя чётность: равна 1.[7]

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 89(17)[6], с точностью до 0,002 % равно значению 6π5 = 1836,118…

Внутренняя структура протона впервые была экспериментально исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий ( Гэв) с протонами (Нобелевская премия по физике 1961 г.)[8]. Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом см., с высокой плотностью массы и заряда, несущей электрического заряда протона и окружающей его относительно разреженной оболочки. На расстоянии от до см. эта оболочка состоит в основном из виртуальных и - мезонов, несущих электрического заряда протона, затем до расстояния см. простирается оболочка из виртуальных и - мезонов, несущих электрического заряда протона.[9][10]

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[11]

С протоном связаны три физических величины, имеющих размерность длины:

  • Комптоновская длина волны протона см.
  • Расстояние от центра протона до максимума плотности электрического заряда см [10].
  • Гравитационный радиус протона см.

Стабильность[править | править вики-текст]

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], 8,2·1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион[12], 6,6·1033 лет для распада в положительный мюон и нейтральный пион[12]). 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+en+νe. «Дырка» в K- или 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 74Be до 262105Db, 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 протоны (как и другие стабильные частицы) приобретают конечное время жизни[13] — 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[14][15], однако при достижимых в лаборатории ускорениях этот эффект мал и никогда не наблюдался экспериментально.

Протон в химии[править | править вики-текст]

Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле является ядром атома 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[16].

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[17]. При повышении температуры до нескольких тысяч градусов состав продуктов ионизации водорода изменяется в пользу протонов — H+.

Интересные факты[править | править вики-текст]

  • Ультрарелятивистские протоны (как и любые другие адроны, а также атомные ядра) для неподвижного наблюдателя имеют форму двояковогнутой линзы[18].
  • Измерения 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 такого различия пока неясны.

См. также[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «протон»

Примечания[править | править вики-текст]

  1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants --- Complete Listing
  2. 1 2 CODATA Value: proton mass
  3. 1 2 CODATA Value: proton mass in u
  4. 1 2 Ahmed, S.; Anthony, A.; Beier, E.; Bellerive, A.; Biller, S.; Boger, J.; Boulay, M.; Bowler, M.; Bowles, T.; Brice, S.; Bullard, T.; Chan, Y.; Chen, M.; Chen, X.; Cleveland, B.; Cox, G.; Dai, X.; Dalnoki-Veress, F.; Doe, P.; Dosanjh, R.; Doucas, G.; Dragowsky, M.; Duba, C.; Duncan, F.; Dunford, M.; Dunmore, J.; Earle, E.; Elliott, S.; Evans, H.; et al. (2004). "Constraints on Nucleon Decay via Invisible Modes from the Sudbury Neutrino Observatory". Physical Review Letters 92 (10): 102004. arXiv:hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. doi:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID 15089201. 
  5. CODATA Value: proton mass energy equivalent in MeV
  6. 1 2 CODATA Value: proton-electron mass ratio
  7. Широков, 1972, с. 67.
  8. Хофштадтер P. Структура ядер и нуклонов // УФН. — 1963. — Т. 81, № 1. — С. 185—200. — ISSN. — URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
  9. Щёлкин К.И. Виртуальные процессы и строение нуклона // Физика микромира — М.: Атомиздат, 1965. — С. 75.
  10. 1 2 Жданов Г.Б. Упругие рассеяния, периферические взаимодействия и резононы // Частицы высоких энергий. Высокие энергии в космосе и лаборатории — М.: Наука, 1965. — С. 132.
  11. Бете, Г., Моррисон Ф. Элементарная теория ядра. — М: ИЛ, 1956. — С. 48.
  12. 1 2 Nishino, H.; Clark, S.; Abe, K.; Hayato, Y.; Iida, T.; Ikeda, M.; Kameda, J.; Kobayashi, K.; Koshio, Y.; Miura, M.; Moriyama, S.; Nakahata, M.; Nakayama, S.; Obayashi, Y.; Ogawa, H.; Sekiya, H.; Shiozawa, M.; Suzuki, Y.; Takeda, A.; Takenaga, Y.; Takeuchi, Y.; Ueno, K.; Ueshima, K.; Watanabe, H.; Yamada, S.; Hazama, S.; Higuchi, I.; Ishihara, C.; Kajita, T.; et al. (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. arXiv:0903.0676. Bibcode:2009PhRvL.102n1801N. doi:10.1103/PhysRevLett.102.141801. PMID 19392425. 
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. Химический энциклопедический словарь / гл. редактор И.Л.Кнунянц. — М.: «Советская энциклопедия», 1983. — С. 484. — 792 с.
  17. Л. Паулинг. Природа химической связи. — Госхимиздат, 1947. — С. 26. — 440 с.
  18. Иванов И. Какую форму имеет быстро летящий протон? = B. Blok, L. Frankfurt, M. Strikman. On the shape of a rapid hadron in QCD.
  19. Proton rms charge radius (англ.). Fundamental Physical Constants. NIST (2014). Проверено 3 апреля 2016.
  20. Pohl R. et al. (8 July 2010). «The size of the proton». Nature 466 (7303): 213–216. DOI:10.1038/nature09250. PMID 20613837. Bibcode2010Natur.466..213P. Проверено 2010-07-09.
  21. Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen

Литература[править | править вики-текст]

  • 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.