Удельный заряд протона равен

Протон — элементарная частица. Константы протона:

Протон – элементарная частица, которая относится к барионам. Спин протора – ½, электрический заряд +1. Масса протона составляет ,672 621 777(74)•10−27 килограмм. Протоны являются непосредственными участниками различных термоядерных реакций. Заметим, именно такие химические реакции являются источником света и энергии, которые производятся звездами.

В частности, протоны участвуют в реакции, которую называют реакцией рр-цикла, проходящей на Солнце. Интересно то, что по сути, вест рр-цикл сводится к соединению четырех разных протонов в одно ядро газа гелия-4 и последующее превращение пары протонов в нейтральные частицы.

Протон стабилен, минимальное время жизни – 2,9•1029 лет, эта цифра от канала распада ничуть не зависит.

В физике частица протона обозначается латинской литерой р (в некоторых случаях р+). Если рассматривать пример водорода, то протон водорода на письме выглядит так: Н+.
У этой частицы есть антипод – антипротон. Он обозначается также латинской р, но с минусом над буквой.

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] )
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
Очарование
Другие свойства
Кварковый состав	uud
Схема распада	нет
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,\%> 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

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>>см;
• среднеквадратический радиус распределения электрического заряда (электрический радиус) r E ≈ 0,841 8410 − 13 <displaystyle r_approx 0<,>8418410^<-13>>см (см. ниже);
• гравитационный радиус R G = 2 G m / c 2 ≈ 2 , 48 ⋅ 10 − 52 <displaystyle R_=<2Gm>/<2>>approx 2<,>48cdot 10^<-52>>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 ) [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 Q_w ≈ 1 − 4 sin 2 θ_W , 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+ν_e . «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 2m_ec 2 ≈ 1,022 МэВ ) открывается конкурирующий канал распада — позитронный распад p → n+e + +ν_e . 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 + +ν_e , 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] .

938,3 МэВ. Масса протона в

1836 раз больше массы покоя электрона и немного меньше массы m n нейтрона: m n — m p = 1,29344 МэВ. Электрический заряд протона положителен, по абсолютной величине он равен заряду электрона 1,6021892 (46)·10 -19 Кл (или 4,803242(14)·10 -10 СГСЭ ед. заряда); удельный заряд протона очень высок — 9,578756(27)·10 7 Кл/кг. Спин протона равен 1/2 &#1115 ( &#1115 — постоянная Планка), магнитный момент μ р = 2,792763(30) μ N , где μ N — ядерный магнетон.

Число протонов в ядре атома данного химического элемента равно атомному номеру этого элемента и определяет место элемента в периодической системе химических элементов. Соответственно все химические свойства простых веществ и соединений, образуемых данным элементом, связаны с числом протонов в ядре атома. Термин "протон" ввел Э. Резерфорд в начале 20-х годов XX века.

Согласно классификации элементарных частиц, протон относится к адронам, он входит в класс тяжелых частиц — барионов (протон — самый легкий из барионов). Протон участвует в сильных взаимодействиях, а также во всех других фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном, слабом и гравитационном. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют идентичные свойства и рассматриваются как различные квантовые состояния одной элементарной частицы — нуклона. За счет слабых взаимодействий в радиоактивных ядрах возможно превращение протона в нейтрон n, позитрон е + и нейтрино ν : p:n + e + + ν , а также превращение нейтрона в протон, электрон е — и антинейтрино : n:р+е — + (см. Радиоактивность). Стабильность протонов позволяет использовать их как бомбардирующие частицы для осуществления ядерных реакций, причем протоны предварительно ускоряют до высоких скоростей.

В химии роль протона особенно велика в кислотно-основном взаимодействии. Согласно разработанной И. Брёнстедом в 1923 теории кислот и оснований, кислоты – это вещества, способные отдавать протон, а основания – вещества, способные принимать протон (см. Кислоты и основания). Из-за высокого удельного заряда свободные протоны не могут существовать в жидких средах; в водных растворах. протон претерпевает гидратацию. Протоны, входящие в состав различных протонных растворителей, принимают участие в химических процессах, протекающих в растворах; растворители, не содержащие таких протонов, называются апротонными. Важное значение во многих химических реакциях имеет присоединение протона к молекуле вещества, например при нейтрализации, электрофильном присоединении и замещении, образовании ониевых соединений (см. Протонирование). Реакции кислотно-основного катализа зачастую включают стадию переноса протона от субстрата (кислоты или основания) к катализатору, которая называется протолизом.