Содержание
Ускоритель частиц, который был использован в работе немецких учёных (фото Paul Scherrer Institute).
(фото Paul Scherrer Institute).
Одна из самых распространённых частиц во Вселенной – протон – оказалась одним из главных возмутителей спокойствия в мире физики. Ещё в 2010 году в журнале Nature были опубликованы результаты исследования, показавшие, что диаметр этой фундаментальной составляющей атомного ядра на 4% меньше, чем думали раньше.
Учёный мир пребывал в недоумении и потратил более двух лет, чтобы объяснить это несоответствие. Новая работа ещё больше спутала карты, подтвердив, что реальный размер протона меньше, чем говорят расчёты, основанные на законах физики.
Отметим, что протон не имеет каких-либо чётко различимых границ, поэтому его размеры можно определить лишь по взаимодействию с вращающимися вокруг него частицами (например, электронами). В качестве основного объекта для вычисления диаметра этой положительно заряженной частицы традиционно выступал атом водорода.
Простейший химический элемент состоит из одного протона и одного электрона. При этом электрон вращается вокруг протона на строго определённом расстоянии в зависимости от энергетического уровня. Электрон может перемещаться с одного уровня на другой, поглощая или выделяя энергию в виде фотонов света. Измеряя энергию фотонов, исходящих от возбуждённого атома водорода, физики могут определить допустимое положение орбиталей, и на основании законов квантовой физики рассчитать расстояние от них до протона.
Впервые такие измерения были проведены в 1960-х годах. С тех пор считалось, что радиус протона равен 0,8768 фемтометра или менее одной триллионной миллиметра.
Проблемы начались после того, как о результатах своих измерений заговорила группа физиков, работающих под руководством Рандольфа Поля (Randolf Pohl) из Института квантовой оптики Макса Планка. Учёные с помощью ускорителя элементарных частиц бомбардировали атомы водорода мюонами. В результате эти нестабильные элементарные частицы, которые в двести раз тяжелее электронов и также имеют отрицательный заряд, вытеснили электроны, заняв их места. Из-за большей массы мюон вращается гораздо ближе к протону и более чувствителен к его диаметру. Поэтому измерения, основанные на таком взаимодействии, гораздо точнее.
В 2010 году Поль и его коллеги впервые опубликовали уточнённый размер протона, равный 0,8418 фемтометра. В обычной жизни разница в 0,00000000000003 миллиметра практически неощутима, но только не в вопросах квантовой физики, где погрешность обычно не превышает долей процента.
Два года спустя та же команда исследователей провела повторные исследования. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Science, учёные также получили мюонные атомы водорода, но на этот раз с помощью лазера переводили тяжёлые отрицательные частицы на другие орбитали, чтобы сделать расчёты на основании нового набора энергетических уровней.
Учёные утверждают, что последние измерения были на порядок точнее, чем в 2010 году. Однако диаметр протона оказался равен 0,8408 фемтометра, что почти полностью соответствует предыдущему результату.
Однако физики так и не нашли точного ответа на вопрос: откуда взялась разница в 4%? В октябре 2012 года в Италии прошёл специальный семинар, в котором приняли участие 50 экспертов по протонам со всего мира. В результате специалисты сошлись во мнении, что между электронами и мюонами существуют некоторые различия, которые находятся вне стандартных физических моделей. Именно они влияют на получаемый результат.
Учёные надеются, что разгадка тайны будет найдена в течение последующих двух-трёх лет. Возможно, что-то прояснится после экспериментов с измерением энергетических уровней в мюонных атомах гелия, которые планируется провести в ближайшие два года.
| Протон ( p, p + ) | |
|---|---|
 |
|
| Семья | фермион |
| Группа | адрон, барион, N-барион, нуклон |
| Участвует во взаимодействиях | Сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное |
| Античастица | Антипротон ( p ¯ ) <displaystyle (<ar
>)> |
| 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⋅10 29 лет [4] ) |
| 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 |
| Обнаружена | Эрнест Резерфорд в 1919 году |
| 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.
В физике протон обозначается p (или p + ). Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) — H + , астрофизическое — HII.
Содержание
Открытие [ править | править код ]
Свойства протона [ править | править код ]
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):
- 938,272 088 16(29) МэВ[7] ;
- 1,007 276 466 621(53) а. е. м.[3] ;
- 1,672 621 923 69(51)⋅10 −27 кг[2] ;
- 1836,152 673 43(11) массы электрона[8] .
Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 43(11) [8] , с точностью до 0,002 % равно значению 6 π 5 = 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.) [10] . Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом ≈0,25·10 −13 см , с высокой плотностью массы и заряда, которая несёт ≈ 35 % <displaystyle approx 35,\%> 
50% электрического заряда протона, затем до расстояния ≈2,5·10 −13 см простирается оболочка из виртуальных ω — и π -мезонов, несущих
Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 10 35 Па (10 30 атмосфер), то есть выше давления внутри нейтронных звёзд [13] .
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 [14] . 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 λ K = 2 π ℏ / m c ≈ 1 , 32 ⋅ 10 − 13 <displaystyle lambda _
=<2pi hbar >/ approx 1<,>32cdot 10^<-13>> - среднеквадратический радиус распределения электрического заряда (электрический радиус) r E ≈ 0,841 8410 − 13 <displaystyle r_
approx 0<,>8418410^<-13>> - гравитационный радиус R G = 2 G m / c 2 ≈ 2 , 48 ⋅ 10 − 52 <displaystyle R_
=<2Gm>/<2>>approx 2<,>48cdot 10^<-52>>
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 ) [15] . Первые эксперименты с атомами мюонного водорода (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,84184 ± 0,00067 фм [16] [17] . 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 [18] . 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 [19] .
Так называемый слабый заряд протона Qw ≈ 1 − 4 sin 2 θW , определяющий его участие в слабых взаимодействиях путём обмена Z 0 -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 [20] . Измеренная величина в пределах экспериментальной погрешности согласуется с теоретическими предсказаниями Стандартной модели ( 0,0708 ± 0,0003 ) [20] .
Стабильность [ править | править код ]
Свободный протон стабилен, экспериментальные исследования не выявили никаких признаков его распада (нижнее ограничение на время жизни — 2,9⋅10 29 лет независимо от канала распада [4] , 1,6⋅10 34 лет для распада в позитрон и нейтральный пион, 7,7⋅10 33 лет для распада в положительный мюон и нейтральный пион [21] ). 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
4 Be до 262
105 Db, распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше 2mec 2 ≈ 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 [22] — 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 [23] [24] . Однако при достижимых в лаборатории ускорениях этот эффект мал и никогда не наблюдался экспериментально.
Протон в химии [ править | править код ]
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 [25] .
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 7·10 14 с −1 [26] . При повышении температуры до нескольких тысяч градусов состав продуктов ионизации водорода изменяется в пользу протонов — H + .
Применение [ править | править код ]
Пучки ускоренных протонов используются в экспериментальной физике элементарных частиц (изучение процессов рассеяния и получение пучков других частиц), в медицине (протонная терапия онкологических заболеваний) [27] [28] .
Протон-К — «Протон К» выводит на орбиту модуль «Звезда» для МКС. «Протон К» для запуска лунного корабля «Зонд» «Протон К» с модулем «Заря» для МКС. 20 Нояб … Википедия
Протон-М — «Протон К» выводит на орбиту модуль «Звезда» для МКС. «Протон К» для запуска лунного корабля «Зонд» «Протон К» с модулем «Заря» для МКС. 20 Нояб … Википедия
Протон (РН) — «Протон К» выводит на орбиту модуль «Звезда» для МКС. «Протон К» для запуска лунного корабля «Зонд» «Протон К» с модулем «Заря» для МКС. 20 Нояб … Википедия
Протон (КА) — У этого термина существуют и другие значения, см. Протон (значения). Протон серия из четырёх советских научных станций искусственных спутников Земли, запущенных с 1965 по 1968 года. Разработаны «НПО машиностроения». Масса спутников составляла от… … Википедия
ПРОТОН — (обозначение ), стабильная ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА с положительным зарядом, равным по модулю негативному заряду ЭЛЕКТРОНА. Протон образует ЯДРО самого легкого изотопа ВОДОРОДА (протия). Вместе с нейтронами протоны образуют ядра всех других… … Научно-технический энциклопедический словарь
ПРОТОН — (от греческого protos первый) (p), стабильная положительно заряженная элементарная частица; ядро атома водорода 1H. Масса 1,7?10 24 г; положительный заряд, равный заряду электрона e. Вместе с нейтронами протоны образуют ядра всех элементов. Число … Современная энциклопедия
ПРОТОН — 1) искусственный спутник Земли для изучения космического пространства. Максимальная масса Протона ок. 17 т. В 1965 68 в СССР запущено 4 Протона .2) Многоступенчатая ракета носитель на жидком топливе. В СССР применялась для запуска космических… … Большой Энциклопедический словарь
ПРОТОН — (от греч. protos первый) (символ р), стабильная элем. частица, ядро атома водорода. Масса П. mр=1,672614(14) •10 24 г »1836 mе, где mе масса эл на; в энергетич. ед. mp»938,3 МэВ. Электрич. заряд П. положителен: е=4,803242(14) •10 10 СГСЭ ед.… … Физическая энциклопедия
Протон — Proton стабильная положительно заряженная элементарная частица с зарядом 1,61?10 19 Кл и массой 11,66?10 27 кг. Протон образует ядро «легкого» изотопа атома водорода (протия). Число протонов в ядре любого элемента определяет заряд ядра и атомный… … Термины атомной энергетики
протон — Стабильная положительно заряженная элементарная частица с зарядом 1,61·10 19 Кл и массой 1,66·10 27 кг. Протон образует ядро "легкого" изотопа атома водорода (протия). Число протонов в ядре любого элемента определяет заряд … Справочник технического переводчика
