Протон

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
протон
Proton quark structure.svg
Протон складається з двох верхніх й одного нижнього кварка
Склад: 2 u-кварки і один d-кварк
Родина: ферміон
Група: адрон
Покоління: перше
взаємодії: всі
Античастинка: антипротон
статус: стабільний
Символ: p
Число типів: 2 разом із нейтроном
Маса: 938,2723 МеВ, маса спокою mp= 1.672623×10–27кг.
Час життя: >1034 років
Електричний заряд: +1
Кольоровий заряд: біла
Спін: 1/2

Прото́н (від грец. πρώτον — перший) — єдиний стабільний баріон. Має заряд . Наявний у всіх ядрах атомів.

Загальний опис[ред. | ред. код]

Раніше вважали, що протони, як і електрони — елементарні частинки, не мають внутрішньої структури. Однак сучасні дослідження показують, що протон є дуже складною системою, а його складові частинки, кварки, мають унікальні характеристики.

Протон — ферміон зі спіном 1/2. Його ізотопічний спін теж дорівнює 1/2, оскільки протон складає ізотопічний дублет із нейтроном. Маса протона становить 1,00727663 а.о.м. або 938,2723 МеВ. Крім електричного заряду протон має також магнітний момент, що дорівнює 2,792847351(28) ядерного магнетона.

Маса спокою протона (англ. proton rest mass) — атомна фундаментальна фізична стала, mp= 1,672623×10–27кг.

Античастинкою для протона є антипротон, характеристики якого схожі на протон за винятком від'ємного заряду.

Протони беруть участь у всіх типах взаємодії: сильній, електромагнітній, слабкій та гравітаційній.

Оскільки ядро водню, що є найбільш розповсюдженим елементом (близько 77% маси звичайної матерії Всесвіту) є протоном, а ядро гелію, другого за поширенням (20%), наполовину складається з протонів, можна сказати, що протони складають майже 85% баріонної матерії Всесвіту[1].

Історія[ред. | ред. код]

Портрет Вільяма Праута

Вперше ідею про те, що атоми не є елементарними частинками матерії, а натомість складаються з дрібніших частинок висловив англійський лікар і хімік Вільям Праут[en] у серії статей, що були опубліковані 1815 року. Він звернув увагу на те, що співвідношення атомних мас багатьох елементів до атомної маси водню, були майже цілими, і висловив припущення, що атоми усіх елементів складаються з атомів водню, а маси елементів, що не кратні масі водню просто були виміряні неправильно. Точність вимірів у той час справді була невисокою, тому ця теорія деякий час була популярною, втім дуже скоро зростаюча точність експериментів дозволила продемонструвати її помилковість — наприклад, атомна маса хлору 35,5 ніяк не могла бути пояснена помилками експериментів. До 60-х років 19 століття було встановлено, що атомні маси майже всіх елементів не кратні масі водню.[2] Проте після відкриття в кінці 19 століття ізотопів — атомів одного і того ж елементу, що мають різну атомну вагу, гіпотеза Праута знов привернула увагу.

Анодні промені

1886 року, Ойген Гольдштейн[en] під час експериментів з трубкою Крукса[en] спостерігав анодні промені, що є потоками позитивно заряджених іонів. У 1897 році Дж. Томпсон відкрив електрон і виміряв його співвідношення заряду до маси, спостерігаючи за його відхиленням в магнітному полі, проте для анодних променів цей метод не давав єдиних значень, і було зрозуміло, що вони складаються з частинок різних сортів. 1898 року Вільгельм Він встановив, що найбільше відношення заряду до маси мають іони водню — протони[3], а у 1907 році Томпсон виміряв це відношення з високою точністю.

1909 року, був проведений експеримент Гейгера-Марсдена, за результатами якого Ернест Резерфорд побудував планетарну модель атома, згідно якої атом складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертаються електрони. Ця модель визначила подальший розвиток уявлень про внутрішні складові атому, зокрема, протони.

Трек протона в камері Вільсона

1919 року Резерфорд, опромінюючи альфа-частинками газ азот, виявив у ньому певну кількість атомів водню. Це була перша штучно викликана ядерна реакція. Зважаючи на те, що водень має атомну масу 1, Резерфорд дійшов висновку, що його ядро є елементарною частинкою, яка входить до складу інших частинок.

Не відомо достойменно, коли і ким був придуманий і асоційований з іонами водню термін "протон", але у 1920-му році Резерфорд використав його у записці[4].

Антипротон був відкритий у лабораторії університету Берклі в 1955 році. За його відкриття Еміліо Сегре й Оуен Чемберлен отримали Нобелівську премію з фізики 1959.

У 1960-х при експериментах на прискорювачах було встановлено, що енергія всередині протона не розподілена рівномірно, а зконцентрована у кількох компактних об'єктах, які Річард Фейнман запропонував називати партонами[5]. У 1964 році Гелл-Ман і Цвейг розробили теорію кварків, що пояснювала як розподіл партонів всередині протону, так і розмаїття баріонів.

У 2018 році вчені з Лабораторії імені Джефферсона у Вірджинії, використовуючи прискорювач електронів CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) і складну математичну обробку даних, справили обчислення значення тиску всередині протона. Отримані ними результати є приголомшливими, тиск всередині протона перевершує тиск всередині нейтронних зірок, які, як відомо, є одними з найбільш щільних об'єктів у Всесвіті. Джерелами такого високого тиску є кварки, елементарні частинки, з яких і складається протон. Величина цього тиску становить 10^35 Паскалей, що в 10^30 перевищує нормальний атмосферний тиск на рівні моря[6].

Будова[ред. | ред. код]

Розподіл кількості партонів різних типів (глюони, u-, d-, s-кварки), залежно від енергії протона

Як і інші баріони, протон складається з кварків, проте вказати його точний склад вельми проблематично. Справа в тому, що будова протона залежить від системи відліку — часто описуваний кварковий склад протона (два верхніх і один нижній кварк — ці три кварки називають валентними), стосується лише випадку нерухомого протона. При розгляді ультрарелятивістського протона, ситуація ускладнюється — все більша частина енергії протона припадає на глюони (до половини всієї енергії частинки для високоенергетичних протонів), а також "морські" кварки[7]. Механізм цього явища наступний: чим більшу енергію несе кварк, то більш високоенергетичні віртуальні глюони він випромінює, і тим довшим є їх час життя (через релятивістське уповільнення часу). Досить високоенергетичні глюони можуть, у свою чергу, розпастися на пару кварк-антикварк (саме такі кварки й називають морськими), які випромінюють нові глюони і т.д. Кількість кварків-антикварків і глюонів при цьому весь час змінюється, і, фактично, залежить лише від точності вимірювання (чим менша енергія, тим більше частинок такої енергії)[8]. При цьому, зберігається первісна пропорція між кварками — кількість d-кварків на один більша за кількість d-антикварків, а кількість u-кварків на два більша за кількість u-антикварків. Оскільки дослідження внутрішньої структури протона проводяться на високих енергіях, аналіз отриманих даних може бути нетривіальним. Наприклад, питання про те, як спін протона складається зі спінів його складових досі не вирішено остаточно[9].

Розпад[ред. | ред. код]

Докладніше: Розпад протона
Гіпотетичний шлях розпаду протона на піон і позитрон через проміжний Х-бозон

Довгий час протон вважали абсолютно стабільною частинкою, що пов'язувалося з емпіричним законом збереження баріонного числа — протон є найлегшим із баріонів, а тому не може розпастися. Проте, немає фізичних законів, що вимагали б збереження цього показника, а в теорії великого об'єднання це правило не виконується явним чином, а отже протон може розпадатися, ймовірно на позитрон і нейтральний піон[10]. Іншим фактом, що підтверджує таку можливість є баріонна ассиметрія Всесвіту — баріони переважають числом антибаріони, хоча в момент Великого Вибуху вони мали утворилися в однакових кількостях. Для експериментального визначення часу життя протона використовують такі установки як Супер-Каміоканде, або інші, що мають схожий принцип роботи — великий бак, захищений від зовнішнього впливу, заповнений водою. Стінки баку вкрито надчутливими детекторами, що мають зафіксувати черенковське випромінювання від частинок, що утворяться внаслідок розпаду протона. Наразі розпад протона не спостерігався ще жодного разу, що вказує на тривалість його життя принаймні в 1034 років[11].

Взаємодія з речовиною[ред. | ред. код]

Протони часто використовують для вивчення властивостей ядер атомів, ініціювання ядерних реакцій, досліджень у фізиці елементарних часток. Для проведення експериментів протонам надають велику енергію в прискорювачах заряджених частинок. Наприклад, на Теватроні протонам можна було надати енергію зіткнення до 1 тераелектронвольта.

Потрапляючи в речовину, енергетичні протони як заряджені частинки, втрачають енергію в основному на іонізацію речовини. Швидкість втрати енергії можна розрахувати за формулою Бете-Блоха. Іонізаційні втрати більші за менших енергій, тому протони втрачають енергію і створюють найбільшу кількість радіаційних дефектів наприкінці свого пробігу в речовині. Великі втрати зумовлюють незначну довжину пробігу. Зупинившись у речовині, протон перетворюється на звичайний атом водню.

Значення[ред. | ред. код]

Протони у складі атомних ядер[ред. | ред. код]

Причини стабільності симетричних ядер

Разом із нейтронами, протони складають ядра атомів, а, отже, й основну масу звичайної матерії. Кількість протонів у ядрі атома визначає його атомний номер Z. Протони й нейтрони у складі атомних ядер називають нуклонами.

Надзвичайно важливою для існування Всесвіту у звичному нам вигляді є стабільність деяких комбінацій протонів і нейтронів, попри те, що вільний нейтрон розпадається приблизно за 600 секунд. Протон, хоч і практично стабільний сам по собі, проте не здатен поєднуватися з іншими протонами: дипротон (або гелій-2) є вкрай нестабільним і розпадається приблизно за 10-21 секунди[12]). Це відбувається завдяки сильній взаємодії, що знижує загальну енергію багатонуклонних систем, і робить їх розпад (та розпад нейтронів, що входять до їх складу) енергетично невигідним[13].

У випадку легких елементів (до Кальцію включно) найстабільнішими є ядра, у яких кількість протонів і нейтронів є рівною — це зумовлено принципом заборони Паулі, через який кожна наступна пара нуклонів одного виду має займати все вищі й вищі енергетичні рівні[14]. Для великих ядер починає відігравати роль кулонівське відштовхування, що підвищує загальний енергетичний рівень ядра. Електростатичні сили залежать лише від кількості протонів, тому у великих стабільних ядрах нейтронів більше ніж протонів — наприклад, у ядрі урану нейтронів у півтора рази більше ніж протонів.

Зоряний нуклеосинтез[ред. | ред. код]

Термоядерна реакція поєднання протонів є базовим джерелом енергії у зорях, які перебувають на головній послідовності. Перша реакція циклу — злиття двох протонів з утворенням ядра дейтерію, позитрона і нейтрино, а друга — злиття дейтерію зі ще одним протоном з утворенням ядра гелію-3. Подальший нуклеосинтез може йти різними шляхами, залежно від маси зорі. Практично всі елементи Всесвіту, важчі літію, утворилися в реакціях зоряного нуклеосинтезу.

Прискорювачі[ред. | ред. код]

Оскільки протони є стабільними й доступними, вони активно використовуються у дослідженнях на прискорювачах. Перші прискорювачі протонів було побудовано ще 1932 року[15]. Зараз найбільш високоенергетичні дослідження проводяться на великому адронному колайдері, на якому протони розганяють до сумарної енергії зіткнення 13 ТЕв.[16]

Протонна терапія[ред. | ред. код]

Через те, що протони в речовині найбільш ефективно гальмуються, а отже й виділяють найбільше енергії, на кількох останніх міліметрах пробігу, низькоенергетичні прискорювачі протонів використовують для опромінення ракових тканин усередині тіла. Правильно підібравши енергію протонів, можна досягти того, що майже вся енергія буде виділятися у пухлині, знищуючи її й не пошкоджуючи навколишні тканини[17].

Вживання терміну протон у хімії[ред. | ред. код]

У хімії протонами називають позитивні іони водню H+. Проте в розчинах іон водню ніколи не буває повністю вільний від взаємодії з електронами, тому протон у хімічному сенсі відрізняється від протонів, які входять до складу ядра атома.

Аномалія радіусу протона[ред. | ред. код]

Однією з проблем сучасної фізики є розбіжності у вимірах зарядового радіуса протона. При його вимірюванні з допомогою мюонних атомів, результати виходять на 4% меншими, ніж на звичайних (0.84 фемтометра проти 0.88). Наразі немає адекватного пояснення цього результату.[18]

Див. також[ред. | ред. код]

Посилання[ред. | ред. код]

Література[ред. | ред. код]

Ю.И.Соловьев. Периодический закон и гипотеза Праута // История химии. — М. : «Рипол Классик», 1976. — 366 с. — ISBN 9785458341868. Дж. Б. Мэрион. Основы квантовой теории // Физика и физический мир. — М. : «Рипол Классик», 1975. — 627 с. — ISBN 9785458416504.

Примітки[ред. | ред. код]