Масса протона.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода.

Ученые расходятся во мнении, какое и научных событий считать открытием протона. Важную роль в открытии протона сыграли:

1. создание Э. Резерфордом планетарной модели атома;
2. открытие изотопов Ф. Содди, Дж. Томсоном, Ф. Астоном;
3. наблюдения за поведением ядер атомов водорода при выбивании их альфа-частицами из ядер азота Э. Резерфордом.

Первые фотографии следов протона были получены П. Блэкеттом в камере Вильсона при исследовании процессов искусственного превращения элементов. Блэкетт исследовал процесс захвата альфа частиц ядрами азота. В этом процессе испускался протон и ядро азота превращалось в изотоп кислорода.

Протоны совместно с нейтронами входят в состав ядер всех химических элементов. Количество протонов в ядре определяет атомный номер элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

Протон - это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как , тогда можно записать, что:

В настоящее время считают, что протон не является элементарной частицей. Он имеет сложную структуру и состоит из двух u- кварков и одного d - кварка. Электрический заряд u - кварка () положительный и он равен

Электрический заряд d - кварка () отрицательный и равен:

Кварки связывают обмен глюонами, которые являются квантами поля, они переносят сильное взаимодействие. То, что протоны имеют в своей структуре несколько точечных центров рассеяния подтверждено экспериментами по рассеянию электронов на протонах.

Протон имеет конечные размеры, о которых ученые до сих пор спорят. В настоящее время протон представляют как облако, которое имеет размытую границу. Такая граница состоит из постоянно возникающих и аннигилирующих виртуальных частиц. Но в большинстве простых задач протон, конечно можно считать точечным зарядом. Масса покоя протона () примерно равна:

Масса протона в 1836 раз больше, чем масса электрона.

Протоны принимают участие во всех фундаментальных взаимодействиях: сильные взаимодействия объединяют протоны и нейтроны в ядра, электроны и протоны при помощи электромагнитных взаимодействий соединяются в атомах. В качестве слабого взаимодействия можно привести, например, бета-распад нейтрона (n):

где p - протон; — электрон; — антинейтрино.

Распад протона получен пока еще не был. Это является одной из важных современных задач физики, так как это открытие стало бы существенным шагом в понимании единства сил природы.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Ядра атома натрия бомбардируют протонами. Какова сила электростатического отталкивания протона от ядра атома, если протон находится на расстоянии м. Считайте, что заряд ядра атома натрия в 11 раз больше, чем заряд протона. Влияние электронной оболочки атома натрия можно не читывать.
Решение	За основу решения задачи примем закон Кулона, который можно для нашей задачи (считая частицы точечными) записать следующим образом: где F - сила электростатического взаимодействия заряженных частиц; Кл — заряд протона; - заряд ядра атома натрия; - диэлектрическая проницаемость вакуума; — электрическая постоянная. Используя имеющиеся у нас данные можно провести вычисления искомой силы отталкивания:
Ответ	Н

ПРИМЕР 2

Некогда считалось, что самая мелкая единица строения любого вещества - это молекула. Затем, с изобретением более мощных микроскопов, человечество с удивлением открыло для себя понятие атома - составной частицы молекул. Казалось бы, куда меньше? Меж тем, еще позже выяснилось, что атом, в свою очередь, состоит из более мелких элементов.

В начала 20 века британский физик открыл наличие в атоме ядер - центральных структур, именно этот момент обозначил начало череды бесконечных открытий, касающихся устройства мельчайшего структурного элемента вещества.

На сегодняшний день, основываясь на ядерной модели и благодаря многочисленным исследованиям, известно, что атом состоит из ядра, которое окружено электронным облаком. В составе такого "облака" - электроны, или элементарные частицы с отрицательным зарядом. В состав ядра, наоборот, входят частицы с электрически положительным зарядом, получившие название протоны. Уже упомянутый выше британский физик смог наблюдать и впоследствии описать это явление. В 1919 году он проводил эксперимент, который заключался в том, что альфа-частицы выбивали ядра водорода из ядер других элементов. Таким образом, ему удалось выяснить и доказать, что протоны - не что иное, как ядро без единственного электрона. В современной физике протоны обозначаются с помощью символа p или p+ (что обозначает положительный заряд).

Протон в переводе с греческого означает "первый, основной" - элементарная частица, относящаяся к классу барионов, т.е. относительно тяжелых Представляет собой стабильную структуру, время его жизни составляет более 2,9 х 10(29) лет.

Строго говоря, кроме протона, содержит также и нейтроны, которые, исходя из названия, нейтрально заряжены. Оба этих элемента называют нуклонами.

Масса протона, в силу вполне очевидных обстоятельств, долгое время не могла быть измерена. Теперь же известно, что она составляет

mp=1,67262∙10-27 кг.

Именно таким образом выглядит и масса покоя протона.

Перейдем к рассмотрению специфических для разных областей физики пониманий массы протона.

Масса частицы в рамках ядерной физики чаще принимает иной вид, единицей измерения ее является а.е.м.

А.е.м. - атомная единица массы. Одна а.е.м. равняется 1/12 массы атома углерода, массовое число которого равняется 12. Отсюда 1 атомная единица массы равна 1,66057·10-27 кг.

Масса протона, следовательно, выглядит следующим образом:

mp = 1,007276 а. е. м.

Существует еще один способ выразить массу этой положительно заряженной частицы, используя иные единицы измерения. Для этого сначала нужно принять как аксиому эквивалентность массы и энергии E=mc2. Где с - а m - масса тела.

Масса протона в данной случае будет измеряться в мегаэлектронвольтах или МэВ. Такая единица измерения используется исключительно в ядерной и атомной физике и служит для измерения той энергии, что необходима для переноса частицы между двумя точками в С тем условием, что разница потенциалов между этими точками равна 1 Вольту.

Отсюда, учитывая, что 1 а.е.м. = 931,494829533852 МэВ, масса протона равна приблизительно

Такой вывод был получен на основании масс-спектроскопических измерений, и именно массу в том виде, в котором она приведена выше, принято также называть и энергией покоя протона .

Таким образом, ориентируясь на потребности эксперимента, масса мельчайшей частицы может быть выражена тремя разными значениями, в трех разных единицах измерения.

Кроме того, масса протона может быть выражена относительно массы электрона, который, как известно, гораздо "тяжелее" положительно заряженной частицы. Равняться масса при грубом подсчете и значительных погрешностях в этом случае будет 1836,152 672 относительно массы электрона.

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.

Открытие [ | ]

Свойства протона [ | ]

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 89(17) , с точностью до 0,002 % равно значению 6π 5 = 1836,118…

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.) . Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом см, с высокой плотностью массы и заряда, несущей ≈ 35 % {\displaystyle \approx 35\%} электрического заряда протона и окружающей его относительно разреженной оболочки. На расстоянии от ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 0,25\cdot 10^{-13}} до ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 1,4\cdot 10^{-13}} см эта оболочка состоит в основном из виртуальных ρ - и π -мезонов, несущих ≈ 50 % {\displaystyle \approx 50\%} электрического заряда протона, затем до расстояния ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 2,5\cdot 10^{-13}} см простирается оболочка из виртуальных ω - и π -мезонов, несущих ~15 % электрического заряда протона .

Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 10 35 Па (10 30 атмосфер), то есть выше давления внутри нейтронных звёзд .

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 .

С протоном связаны три физических величины, имеющих размерность длины:

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 ) . Первые эксперименты с атомами мюонного водорода (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,84184 ± 0,00067 фм . Причины такого различия пока неясны.

Так называемый 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 . Измеренная величина в пределах экспериментальной погрешности согласуется с теоретическими предсказаниями Стандартной модели (0,0708 ± 0,0003 ) .

Стабильность [ | ]

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 , 8,2⋅10 33 лет для распада в позитрон и нейтральный пион , 6,6⋅10 33 лет для распада в положительный мюон и нейтральный пион ). 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 − → +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 до 262
105 , распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше 2m e c 2 ≈ 1,022 МэВ ) открывается конкурирующий канал распада - позитронный распад p → +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.

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 (H 2 +) - физическая система, состоящая из двух протонов, удерживающихся вместе на расстоянии 1,06 одним электроном. Стабильность такой системы, по Полингу , вызвана резонансом электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной 7·10 14 с −1 . При повышении температуры до нескольких тысяч градусов состав продуктов ионизации водорода изменяется в пользу протонов - H + .

Применение [ | ]

Пучки ускоренных протонов используются в экспериментальной физике элементарных частиц (изучение процессов рассеяния и получение пучков других частиц), в медицине (протонная терапия онкологических заболеваний) .

См. также [ | ]

Примечания [ | ]

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants --- Complete Listing
2. CODATA Value: proton mass
3. CODATA Value: proton mass in u
4. Ahmed S.; 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 .
5. CODATA Value: proton mass energy equivalent in MeV
6. CODATA Value: proton-electron mass ratio
7. , 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. Упругие рассеяния, периферические взаимодействия и резононы // Частицы высоких энергий. Высокие энергии в космосе и лаборатории - М.: Наука, 1965. - С. 132.

, электромагнитное и гравитационное

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.

Открытие

Свойства протона

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 89(17) , с точностью до 0,002 % равно значению 6π 5 = 1836,118…

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.) . Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом см, с высокой плотностью массы и заряда, несущей ≈ 35 % {\displaystyle \approx 35\,\%} электрического заряда протона и окружающей его относительно разреженной оболочки. На расстоянии от ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 0{,}25\cdot 10^{-13}} до ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 1{,}4\cdot 10^{-13}} см эта оболочка состоит в основном из виртуальных ρ - и π -мезонов, несущих ≈ 50 % {\displaystyle \approx 50\,\%} электрического заряда протона, затем до расстояния ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 2{,}5\cdot 10^{-13}} см простирается оболочка из виртуальных ω - и π -мезонов, несущих ~15 % электрического заряда протона .

Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 10 35 Па (10 30 атмосфер), то есть выше давления внутри нейтронных звёзд .

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 .

С протоном связаны три физических величины, имеющих размерность длины:

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 ) . Первые эксперименты с атомами мюонного водорода (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,84184 ± 0,00067 фм . Причины такого различия пока неясны.

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 . Измеренная величина в пределах экспериментальной погрешности согласуется с теоретическими предсказаниями Стандартной модели (0,0708 ± 0,0003 ) .

Стабильность

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 , 8,2⋅10 33 лет для распада в позитрон и нейтральный пион , 6,6⋅10 33 лет для распада в положительный мюон и нейтральный пион ). 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 − → +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 до 262
105 , распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше 2m e c 2 ≈ 1,022 МэВ ) открывается конкурирующий канал распада - позитронный распад p → +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.

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 (H 2 +) - физическая система, состоящая из двух протонов, удерживающихся вместе на расстоянии 1,06 одним электроном. Стабильность такой системы, по Полингу , вызвана резонансом электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной 7·10 14 с −1 . При повышении температуры до нескольких тысяч градусов состав продуктов ионизации водорода изменяется в пользу протонов - H + .

Применение

См. также

Примечания

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants --- Complete Listing
2. CODATA Value: proton mass
3. CODATA Value: proton mass in u
4. Ahmed S.; 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 .
5. CODATA Value: proton mass energy equivalent in MeV
6. CODATA Value: proton-electron mass ratio
7. , 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. Жданов Г. Б. Упругие рассеяния, периферические взаимодействия и резононы // Частицы высоких энергий. Высокие энергии в космосе и лаборатории - М.: Наука, 1965. - С. 132.
11. Burkert V. D. , Elouadrhiri L. , Girod F. X. The pressure distribution inside the proton (англ.) // Nature. - 2018. - May (vol. 557 , no. 7705 ). - P. 396-399 . - DOI :10.1038/s41586-018-0060-z .
12. Бете, Г. , Моррисон Ф. Элементарная теория ядра. - М: ИЛ, 1956. - С. 48.

Водорода, элемента, который имеет наиболее простое строение. Оно имеет положительный заряд и практически неограниченное время жизни. Это самая стабильная частица во Вселенной. Протоны, образовавшиеся в результате Большого Взрыва, до сих пор не распались. Масса протона составляет 1,627*10-27 кг или 938,272 эВ. Чаще эту величину выражают в электронвольтах.

Протон был открыт «отцом» ядерной физики Эрнестом Резерфордом. Он выдвинул гипотезу о том, что ядра атомов всех химических элементов состоят из протонов, так как по массе они превышают ядро атома водорода в целое число раз. Резерфорд поставил интересный опыт. В те времена уже была открыта естественная радиоактивность некоторых элементов. С помощью альфа-излучения (альфа-частицы представляют собой ядра гелия с высокими энергиями) ученый облучал атомы азота. В результате такого взаимодействия вылетала частица. Резерфорд предположил, что это протон. Дальнейшие опыты в пузырьковой камере Вильсона подтвердили его предположение. Так в 1913 году была открыта новая частица, но гипотеза Резерфорда о составе ядра оказалась несостоятельной.

Открытие нейтрона

Великий ученый нашел ошибку в своих расчетах и выдвинул гипотезу о существовании еще одной частицы, входящей в состав ядра и обладающей практически той же массой, что и протон. Экспериментально он не смог ее обнаружить.

Это сделал в 1932 году сделал английский ученый Джеймс Чедвик. Он поставил опыт, в ходе которого бомбардировал атомы бериллия высокоэнергетическими альфа-частицами. В результате ядерной реакции из ядра бериллия вылетала частица, впоследствии названная нейтроном. За свое открытие Чедвик уже через три года получил Нобелевскую премию.

Масса нейтрона действительно мало отличается от массы протона (1,622*10-27 кг), но эта частица не обладает зарядом. В этом смысле она нейтральна и в то же время способна вызывать деление тяжелых ядер. Из-за отсутствия заряда нейтрон может легко пройти через высокий кулоновский потенциальный барьер и внедриться в структуру ядра.

Протон и нейтрон обладают квантовыми свойствами (могут проявлять свойства частиц и волн). Нейтронное излучение используют в медицинских целях. Высокая проникающая способность позволяет этому излучению ионизировать глубинные опухоли и другие злокачественные образования и обнаруживать их. При этом энергия частиц относительно маленькая.

Нейтрон, в отличие от протона, нестабильная частица. Ее время жизни составляет около 900 секунд. Она распадается на протон, электрон и электронное нейтрино.