Μάζα πρωτονίων.

ΟΡΙΣΜΟΣ

Πρωτόνιοονομάζεται ένα σταθερό σωματίδιο που ανήκει στην κατηγορία των αδρονίων, το οποίο είναι ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου.

Οι επιστήμονες διαφωνούν σχετικά με το ποιο επιστημονικό γεγονός θα πρέπει να θεωρηθεί η ανακάλυψη του πρωτονίου. Σημαντικό ρόλο στην ανακάλυψη του πρωτονίου έπαιξαν:

1. δημιουργία ενός πλανητικού μοντέλου του ατόμου από τον E. Rutherford.
2. ανακάλυψη ισοτόπων από τους F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
3. παρατηρήσεις της συμπεριφοράς των πυρήνων των ατόμων υδρογόνου όταν εκτινάσσονται από σωματίδια άλφα από πυρήνες αζώτου από τον E. Rutherford.

Οι πρώτες φωτογραφίες ιχνών πρωτονίων λήφθηκαν από τον P. Blackett σε έναν θάλαμο σύννεφων ενώ μελετούσε τις διαδικασίες τεχνητού μετασχηματισμού στοιχείων. Ο Blackett μελέτησε τη διαδικασία σύλληψης σωματιδίων άλφα από πυρήνες αζώτου. Σε αυτή τη διαδικασία, ένα πρωτόνιο εκπέμπεται και ο πυρήνας του αζώτου μετατρέπεται σε ισότοπο οξυγόνου.

Τα πρωτόνια, μαζί με τα νετρόνια, αποτελούν μέρος των πυρήνων όλων των χημικών στοιχείων. Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα καθορίζει τον ατομικό αριθμό του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα D.I. Μεντελέεφ.

Ένα πρωτόνιο είναι ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο. Το φορτίο του είναι ίσο σε μέγεθος με το στοιχειώδες φορτίο, δηλαδή την τιμή του φορτίου του ηλεκτρονίου. Το φορτίο ενός πρωτονίου συχνά συμβολίζεται ως , τότε μπορούμε να γράψουμε ότι:

Επί του παρόντος πιστεύεται ότι το πρωτόνιο δεν είναι στοιχειώδες σωματίδιο. Έχει πολύπλοκη δομή και αποτελείται από δύο u-κουάρκ και ένα d-κουάρκ. Το ηλεκτρικό φορτίο ενός u-κουάρκ () είναι θετικό και ισούται με

Το ηλεκτρικό φορτίο ενός d-κουάρκ () είναι αρνητικό και ίσο με:

Τα κουάρκ συνδέουν την ανταλλαγή γκλουονίων, τα οποία είναι κβάντα πεδίου· αντέχουν ισχυρή αλληλεπίδραση. Το γεγονός ότι τα πρωτόνια έχουν πολλά κέντρα σημειακής σκέδασης στη δομή τους επιβεβαιώνεται από πειράματα για τη σκέδαση ηλεκτρονίων από πρωτόνια.

Το πρωτόνιο έχει πεπερασμένο μέγεθος, για το οποίο οι επιστήμονες εξακολουθούν να διαφωνούν. Επί του παρόντος, το πρωτόνιο αντιπροσωπεύεται ως ένα σύννεφο που έχει ένα θολό όριο. Ένα τέτοιο όριο αποτελείται από διαρκώς αναδυόμενα και εξαφανιζόμενα εικονικά σωματίδια. Αλλά στα περισσότερα απλά προβλήματα, ένα πρωτόνιο μπορεί, φυσικά, να θεωρηθεί σημείο φορτίο. Η μάζα ηρεμίας ενός πρωτονίου () είναι περίπου ίση με:

Η μάζα ενός πρωτονίου είναι 1836 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου.

Τα πρωτόνια συμμετέχουν σε όλες τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις: οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις ενώνουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια σε πυρήνες, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια ενώνονται μεταξύ τους σε άτομα χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Ως αδύναμη αλληλεπίδραση, μπορούμε να αναφέρουμε, για παράδειγμα, τη διάσπαση βήτα ενός νετρονίου (n):

όπου p είναι πρωτόνιο. — ηλεκτρόνιο; - αντινετρίνο.

Η διάσπαση πρωτονίων δεν έχει ακόμη ληφθεί. Αυτό είναι ένα από τα σημαντικά σύγχρονα προβλήματα της φυσικής, αφού αυτή η ανακάλυψη θα ήταν ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση της ενότητας των δυνάμεων της φύσης.

Παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1

Ασκηση	Οι πυρήνες του ατόμου νατρίου βομβαρδίζονται με πρωτόνια. Ποια είναι η δύναμη της ηλεκτροστατικής απώθησης ενός πρωτονίου από τον πυρήνα ενός ατόμου εάν το πρωτόνιο βρίσκεται σε απόσταση μ. Θεωρήστε ότι το φορτίο του πυρήνα ενός ατόμου νατρίου είναι 11 φορές μεγαλύτερο από το φορτίο ενός πρωτονίου. Η επίδραση του ηλεκτρονιακού κελύφους του ατόμου νατρίου μπορεί να αγνοηθεί.
Λύση	Ως βάση για την επίλυση του προβλήματος, θα πάρουμε τον νόμο του Coulomb, ο οποίος μπορεί να γραφτεί για το πρόβλημά μας (υποθέτοντας ότι τα σωματίδια είναι σημειακά) ως εξής: όπου F είναι η δύναμη της ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης φορτισμένων σωματιδίων. Το Cl είναι το φορτίο πρωτονίων. - φορτίο του πυρήνα του ατόμου νατρίου. - διηλεκτρική σταθερά κενού. - ηλεκτρική σταθερά. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα που έχουμε, μπορούμε να υπολογίσουμε την απαιτούμενη απωστική δύναμη:
Απάντηση	Ν

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2

Κάποτε πίστευαν ότι η μικρότερη μονάδα δομής οποιασδήποτε ουσίας είναι ένα μόριο. Στη συνέχεια, με την εφεύρεση πιο ισχυρών μικροσκοπίων, η ανθρωπότητα ανακάλυψε έκπληκτη την έννοια του ατόμου - ενός σύνθετου σωματιδίου μορίων. Θα φαινόταν πολύ λιγότερο; Εν τω μεταξύ, αποδείχθηκε ακόμη αργότερα ότι το άτομο, με τη σειρά του, αποτελείται από μικρότερα στοιχεία.

Στις αρχές του 20ου αιώνα, ένας Βρετανός φυσικός ανακάλυψε την παρουσία πυρήνων στις κεντρικές δομές του ατόμου· ήταν αυτή η στιγμή που σηματοδότησε την αρχή μιας σειράς ατελείωτων ανακαλύψεων σχετικά με τη δομή του μικρότερου δομικού στοιχείου της ύλης.

Σήμερα, με βάση το πυρηνικό μοντέλο και χάρη σε πολυάριθμες μελέτες, είναι γνωστό ότι το άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα που περιβάλλεται από σύννεφο ηλεκτρονίων.Ένα τέτοιο «σύννεφο» περιέχει ηλεκτρόνια ή στοιχειώδη σωματίδια με αρνητικό φορτίο. Ο πυρήνας, αντίθετα, περιλαμβάνει σωματίδια με ηλεκτρικά θετικό φορτίο, που ονομάζονται πρωτόνια.Ο Βρετανός φυσικός που ήδη αναφέρθηκε παραπάνω ήταν σε θέση να παρατηρήσει και στη συνέχεια να περιγράψει αυτό το φαινόμενο. Το 1919, διεξήγαγε ένα πείραμα στο οποίο τα σωματίδια άλφα έριξαν πυρήνες υδρογόνου από τους πυρήνες άλλων στοιχείων. Έτσι, μπόρεσε να ανακαλύψει και να αποδείξει ότι τα πρωτόνια δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένας πυρήνας χωρίς ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Στη σύγχρονη φυσική, τα πρωτόνια συμβολίζονται με το σύμβολο p ή p+ (που δηλώνει ένα θετικό φορτίο).

Πρωτόνιο που μεταφράζεται από τα ελληνικά σημαίνει "πρώτο, κύριο" - ένα στοιχειώδες σωματίδιο που ανήκει στην κατηγορία βαρυόνια,εκείνοι. σχετικά βαρύ Είναι μια σταθερή κατασκευή, η διάρκεια ζωής της είναι μεγαλύτερη από 2,9 x 10(29) χρόνια.

Αυστηρά μιλώντας, εκτός από το πρωτόνιο, περιέχει και νετρόνια, τα οποία, με βάση το όνομα, είναι ουδέτερα φορτισμένα. Και τα δύο αυτά στοιχεία ονομάζονται νουκλεόνια.

Η μάζα του πρωτονίου, λόγω προφανών περιστάσεων, δεν μπορούσε να μετρηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Τώρα είναι γνωστό ότι είναι

mp=1,67262∙10-27 kg.

Έτσι ακριβώς μοιάζει η υπόλοιπη μάζα ενός πρωτονίου.

Ας προχωρήσουμε στο να εξετάσουμε τις κατανοήσεις της μάζας πρωτονίων που είναι συγκεκριμένες για διαφορετικούς τομείς της φυσικής.

Η μάζα ενός σωματιδίου στο πλαίσιο της πυρηνικής φυσικής παίρνει συχνά διαφορετική μορφή· η μονάδα μέτρησής του είναι το amu.

A.e.m. - μονάδα ατομικής μάζας. Ένα αμμου ισούται με το 1/12 της μάζας ενός ατόμου άνθρακα, του οποίου ο μαζικός αριθμός είναι 12. Επομένως, 1 μονάδα ατομικής μάζας είναι ίση με 1,66057 10-27 kg.

Επομένως, η μάζα ενός πρωτονίου μοιάζει με αυτό:

mp = 1,007276 α. τρώω.

Υπάρχει ένας άλλος τρόπος έκφρασης της μάζας αυτού του θετικά φορτισμένου σωματιδίου, χρησιμοποιώντας διαφορετικές μονάδες μέτρησης. Για να γίνει αυτό, πρέπει πρώτα να αποδεχτείτε ως αξίωμα την ισοδυναμία μάζας και ενέργειας E=mc2. Όπου c - και m είναι η μάζα σώματος.

Η μάζα πρωτονίων σε αυτή την περίπτωση θα μετρηθεί σε μεγαηλεκτρονβολτ ή MeV. Αυτή η μονάδα μέτρησης χρησιμοποιείται αποκλειστικά στην πυρηνική και ατομική φυσική και χρησιμεύει για τη μέτρηση της ενέργειας που είναι απαραίτητη για τη μεταφορά ενός σωματιδίου μεταξύ δύο σημείων στο C με την προϋπόθεση ότι η διαφορά δυναμικού μεταξύ αυτών των σημείων είναι 1 Volt.

Ως εκ τούτου, λαμβάνοντας υπόψη ότι η 1 π.μ. = 931,494829533852 MeV, η μάζα πρωτονίου είναι περίπου

Αυτό το συμπέρασμα προέκυψε με βάση φασματοσκοπικές μετρήσεις μάζας και είναι η μάζα με τη μορφή με την οποία δίνεται παραπάνω που συνήθως ονομάζεται e ενέργεια ηρεμίας πρωτονίων.

Έτσι, με βάση τις ανάγκες του πειράματος, η μάζα του μικρότερου σωματιδίου μπορεί να εκφραστεί σε τρεις διαφορετικές τιμές, σε τρεις διαφορετικές μονάδες μέτρησης.

Επιπλέον, η μάζα ενός πρωτονίου μπορεί να εκφραστεί σε σχέση με τη μάζα ενός ηλεκτρονίου, το οποίο, όπως είναι γνωστό, είναι πολύ «βαρύτερο» από ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο. Η μάζα, με έναν πρόχειρο υπολογισμό και σημαντικά σφάλματα σε αυτή την περίπτωση, θα είναι 1836,152672 σε σχέση με τη μάζα του ηλεκτρονίου.

Τα πρωτόνια συμμετέχουν στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, οι οποίες είναι η κύρια πηγή ενέργειας που παράγεται από τα αστέρια. Συγκεκριμένα, αντιδράσεις σελ-ο κύκλος, που είναι η πηγή σχεδόν όλης της ενέργειας που εκπέμπεται από τον Ήλιο, καταλήγει στο συνδυασμό τεσσάρων πρωτονίων σε έναν πυρήνα ηλίου-4 με τη μετατροπή δύο πρωτονίων σε νετρόνια.

Στη φυσική, το πρωτόνιο συμβολίζεται Π(ή Π+ ). Η χημική ονομασία του πρωτονίου (που θεωρείται θετικό ιόν υδρογόνου) είναι H +, η αστροφυσική ονομασία είναι HII.

Ανοιγμα [ | ]

Ιδιότητες πρωτονίων[ | ]

Ο λόγος των μαζών πρωτονίων και ηλεκτρονίων, ίσος με 1836,152 673 89(17), με ακρίβεια 0,002% είναι ίσος με την τιμή 6π 5 = 1836,118...

Η εσωτερική δομή του πρωτονίου μελετήθηκε για πρώτη φορά πειραματικά από τον R. Hofstadter μελετώντας τις συγκρούσεις μιας δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας (2 GeV) με πρωτόνια (Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1961). Το πρωτόνιο αποτελείται από έναν βαρύ πυρήνα (πυρήνα) με ακτίνα cm, με υψηλή πυκνότητα μάζας και φορτίου, που φέρει ≈ 35% (\displaystyle \περίπου 35\%)ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου και το σχετικά σπάνιο κέλυφος που το περιβάλλει. Σε απόσταση από ≈ 0, 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \περίπου 0,25\cdot 10^(-13))πριν ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \περίπου 1,4\cdot 10^(-13)) cm αυτό το κέλυφος αποτελείται κυρίως από εικονικά ρ - και π - μεσόνια που φέρουν ≈ 50% (\displaystyle \περίπου 50\%)ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου και μετά στην απόσταση ≈ 2, 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \περίπου 2,5\cdot 10^(-13)) cm επεκτείνει ένα κέλυφος εικονικών ω - και π - μεσονίων, που φέρουν ~15% του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου.

Η πίεση στο κέντρο του πρωτονίου που δημιουργείται από τα κουάρκ είναι περίπου 10 35 Pa (10 30 ατμόσφαιρες), δηλαδή υψηλότερη από την πίεση μέσα στα αστέρια νετρονίων.

Η μαγνητική ροπή ενός πρωτονίου μετράται με τη μέτρηση του λόγου της συχνότητας συντονισμού μετάπτωσης της μαγνητικής ροπής του πρωτονίου σε ένα δεδομένο ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο και της συχνότητας κυκλοτρονίων της κυκλικής τροχιάς του πρωτονίου στο ίδιο πεδίο.

Υπάρχουν τρία φυσικά μεγέθη που σχετίζονται με ένα πρωτόνιο που έχουν τη διάσταση του μήκους:

Οι μετρήσεις της ακτίνας πρωτονίων με χρήση συνηθισμένων ατόμων υδρογόνου, που πραγματοποιήθηκαν με διάφορες μεθόδους από τη δεκαετία του 1960, οδήγησαν (CODATA -2014) στο αποτέλεσμα 0,8751 ± 0,0061 femtometer(1 fm = 10 −15 m). Τα πρώτα πειράματα με μιονικά άτομα υδρογόνου (όπου το ηλεκτρόνιο αντικαθίσταται από ένα μιόνιο) έδωσαν ένα 4% μικρότερο αποτέλεσμα για αυτή την ακτίνα: 0,84184 ± 0,00067 fm. Οι λόγοι αυτής της διαφοράς είναι ακόμα ασαφείς.

Το λεγόμενο πρωτόνιο Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, που καθορίζει τη συμμετοχή του σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις μέσω της ανταλλαγής ΖΤο 0 μποζόνιο (παρόμοιο με το πώς το ηλεκτρικό φορτίο ενός σωματιδίου καθορίζει τη συμμετοχή του στις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις μέσω της ανταλλαγής φωτονίων) είναι 0,0719 ± 0,0045, σύμφωνα με πειραματικές μετρήσεις παραβίασης ισοτιμίας κατά τη σκέδαση πολωμένων ηλεκτρονίων στα πρωτόνια. Η μετρούμενη τιμή είναι συνεπής, εντός πειραματικού σφάλματος, με τις θεωρητικές προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου (0,0708 ± 0,0003).

Σταθερότητα [ | ]

Το ελεύθερο πρωτόνιο είναι σταθερό, οι πειραματικές μελέτες δεν έχουν αποκαλύψει σημάδια διάσπασής του (κατώτερο όριο διάρκειας ζωής είναι 2,9⋅10 29 χρόνια ανεξάρτητα από το κανάλι διάσπασης, 8,2⋅10 33 χρόνια για διάσπαση σε ποζιτρόνιο και ουδέτερο πιόνιο, 6,6⋅ 10 33 χρόνια για διάσπαση σε θετικό μιόνιο και ουδέτερο πιόνιο). Δεδομένου ότι το πρωτόνιο είναι το ελαφρύτερο από τα βαρυόνια, η σταθερότητα του πρωτονίου είναι συνέπεια του νόμου της διατήρησης του αριθμού του βαρυονίου - ένα πρωτόνιο δεν μπορεί να διασπαστεί σε ελαφρύτερα σωματίδια (για παράδειγμα, σε ποζιτρόνιο και νετρίνο) χωρίς να παραβιάζει αυτόν τον νόμο. Ωστόσο, πολλές θεωρητικές επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου προβλέπουν διεργασίες (που δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί) που θα οδηγούσαν σε μη διατήρηση του αριθμού του βαρυονίου και ως εκ τούτου σε διάσπαση πρωτονίων.

Ένα πρωτόνιο που δεσμεύεται σε έναν ατομικό πυρήνα είναι ικανό να συλλάβει ένα ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρόνιο K-, L- ή M-κέλυφος του ατόμου (η λεγόμενη «σύλληψη ηλεκτρονίων»). Ένα πρωτόνιο του ατομικού πυρήνα, έχοντας απορροφήσει ένα ηλεκτρόνιο, μετατρέπεται σε νετρόνιο και ταυτόχρονα εκπέμπει ένα νετρίνο: p+e − →+ν μι . Μια «τρύπα» στη στιβάδα K-, L- ή M που σχηματίζεται από τη σύλληψη ηλεκτρονίων είναι γεμάτη με ένα ηλεκτρόνιο από μια από τις υπερκείμενες στοιβάδες ηλεκτρονίων του ατόμου, εκπέμποντας χαρακτηριστικές ακτίνες Χ που αντιστοιχούν στον ατομικό αριθμό Ζ− 1 και/ή ηλεκτρόνια τρυπήματος. Είναι γνωστά πάνω από 1000 ισότοπα από 7
4 έως 262
105, αποσύνθεση με σύλληψη ηλεκτρονίων. Σε επαρκώς υψηλές διαθέσιμες ενέργειες διάσπασης (παραπάνω 2μ ε γ 2 ≈ 1,022 MeV) ανοίγει ένα ανταγωνιστικό κανάλι διάσπασης - διάσπαση ποζιτρονίων p → +e ++ν μι . Πρέπει να τονιστεί ότι αυτές οι διεργασίες είναι δυνατές μόνο για ένα πρωτόνιο σε ορισμένους πυρήνες, όπου η ενέργεια που λείπει αναπληρώνεται με τη μετάβαση του προκύπτοντος νετρονίου σε ένα χαμηλότερο πυρηνικό κέλυφος. για ένα ελεύθερο πρωτόνιο απαγορεύονται από το νόμο της διατήρησης της ενέργειας.

Η πηγή των πρωτονίων στη χημεία είναι τα ορυκτά (νιτρικό, θειικό, φωσφορικό και άλλα) και τα οργανικά (μυρμηκικό, οξικό, οξαλικό και άλλα) οξέα. Σε ένα υδατικό διάλυμα, τα οξέα είναι ικανά να διασπαστούν με την απομάκρυνση ενός πρωτονίου, σχηματίζοντας ένα κατιόν υδρονίου.

Στην αέρια φάση, τα πρωτόνια λαμβάνονται με ιονισμό - την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα άτομο υδρογόνου. Το δυναμικό ιοντισμού ενός μη διεγερμένου ατόμου υδρογόνου είναι 13.595 eV. Όταν το μοριακό υδρογόνο ιονίζεται από γρήγορα ηλεκτρόνια σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία δωματίου, σχηματίζεται αρχικά το μοριακό ιόν υδρογόνου (H 2 +) - ένα φυσικό σύστημα που αποτελείται από δύο πρωτόνια που συγκρατούνται μαζί σε απόσταση 1,06 επί ένα ηλεκτρόνιο. Η σταθερότητα ενός τέτοιου συστήματος, σύμφωνα με τον Pauling, προκαλείται από τον συντονισμό ενός ηλεκτρονίου μεταξύ δύο πρωτονίων με «συχνότητα συντονισμού» ίση με 7·10 14 s −1. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται σε αρκετές χιλιάδες μοίρες, η σύνθεση των προϊόντων ιονισμού υδρογόνου αλλάζει υπέρ των πρωτονίων - H +.

Εφαρμογή [ | ]

Οι δέσμες επιταχυνόμενων πρωτονίων χρησιμοποιούνται στην πειραματική φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων (μελέτη διαδικασιών σκέδασης και παραγωγή δεσμών άλλων σωματιδίων), στην ιατρική (θεραπεία πρωτονίων για τον καρκίνο).

δείτε επίσης [ | ]

Σημειώσεις [ | ]

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Θεμελιώδεις φυσικές σταθερές --- Πλήρης καταχώριση
2. CODATA Τιμή: μάζα πρωτονίου
3. CODATA Τιμή: μάζα πρωτονίου σε u
4. Ahmed S.; et al. (2004). «Περιορισμοί στη διάσπαση των νουκλεονίων μέσω αόρατων τρόπων λειτουργίας από το Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury». Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. Τιμή CODATA: ισοδύναμη ενέργειας μάζας πρωτονίων σε MeV
6. CODATA Τιμή: λόγος μάζας πρωτονίου-ηλεκτρονίου
7. , Με. 67.
8. Hofstadter P.Δομή πυρήνων και νουκλεονίων // Φυσ. - 1963. - Τ. 81, Αρ. 1. - Σ. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Shchelkin K. I.Εικονικές διεργασίες και η δομή του νουκλεονίου // Physics of the Microworld - M.: Atomizdat, 1965. - Σ. 75.
10. Ελαστική σκέδαση, περιφερειακές αλληλεπιδράσεις και συντονισμοί // Σωματίδια υψηλής ενέργειας. Υψηλές ενέργειες στο διάστημα και τα εργαστήρια - Μ.: Nauka, 1965. - Σελ. 132.

, ηλεκτρομαγνητική και βαρυτική

Τα πρωτόνια συμμετέχουν στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, οι οποίες είναι η κύρια πηγή ενέργειας που παράγεται από τα αστέρια. Συγκεκριμένα, αντιδράσεις σελ-ο κύκλος, που είναι η πηγή σχεδόν όλης της ενέργειας που εκπέμπεται από τον Ήλιο, καταλήγει στο συνδυασμό τεσσάρων πρωτονίων σε έναν πυρήνα ηλίου-4 με τη μετατροπή δύο πρωτονίων σε νετρόνια.

Στη φυσική, το πρωτόνιο συμβολίζεται Π(ή Π+ ). Η χημική ονομασία του πρωτονίου (που θεωρείται θετικό ιόν υδρογόνου) είναι H +, η αστροφυσική ονομασία είναι HII.

Ανοιγμα

Ιδιότητες πρωτονίων

Ο λόγος των μαζών πρωτονίων και ηλεκτρονίων, ίσος με 1836,152 673 89(17), με ακρίβεια 0,002% είναι ίσος με την τιμή 6π 5 = 1836,118...

Η εσωτερική δομή του πρωτονίου μελετήθηκε για πρώτη φορά πειραματικά από τον R. Hofstadter μελετώντας τις συγκρούσεις μιας δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας (2 GeV) με πρωτόνια (Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1961). Το πρωτόνιο αποτελείται από έναν βαρύ πυρήνα (πυρήνα) με ακτίνα cm, με υψηλή πυκνότητα μάζας και φορτίου, που φέρει ≈ 35% (\displaystyle \περίπου 35\,\%)ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου και το σχετικά σπάνιο κέλυφος που το περιβάλλει. Σε απόσταση από ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \περίπου 0(,)25\cdot 10^(-13))πριν ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \περίπου 1(,)4\cdot 10^(-13)) cm αυτό το κέλυφος αποτελείται κυρίως από εικονικά ρ - και π - μεσόνια που φέρουν ≈ 50% (\displaystyle \περίπου 50\,\%)ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου και μετά στην απόσταση ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \κατά προσέγγιση 2(,)5\cdot 10^(-13)) cm επεκτείνει ένα κέλυφος εικονικών ω - και π - μεσονίων, που φέρουν ~15% του ηλεκτρικού φορτίου του πρωτονίου.

Η πίεση στο κέντρο του πρωτονίου που δημιουργείται από τα κουάρκ είναι περίπου 10 35 Pa (10 30 ατμόσφαιρες), δηλαδή υψηλότερη από την πίεση μέσα στα αστέρια νετρονίων.

Η μαγνητική ροπή ενός πρωτονίου μετράται με τη μέτρηση του λόγου της συχνότητας συντονισμού μετάπτωσης της μαγνητικής ροπής του πρωτονίου σε ένα δεδομένο ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο και της συχνότητας κυκλοτρονίων της κυκλικής τροχιάς του πρωτονίου στο ίδιο πεδίο.

Υπάρχουν τρία φυσικά μεγέθη που σχετίζονται με ένα πρωτόνιο που έχουν τη διάσταση του μήκους:

Οι μετρήσεις της ακτίνας πρωτονίων με χρήση συνηθισμένων ατόμων υδρογόνου, που πραγματοποιήθηκαν με διάφορες μεθόδους από τη δεκαετία του 1960, οδήγησαν (CODATA -2014) στο αποτέλεσμα 0,8751 ± 0,0061 femtometer(1 fm = 10 −15 m). Τα πρώτα πειράματα με μιονικά άτομα υδρογόνου (όπου το ηλεκτρόνιο αντικαθίσταται από ένα μιόνιο) έδωσαν ένα 4% μικρότερο αποτέλεσμα για αυτή την ακτίνα: 0,84184 ± 0,00067 fm. Οι λόγοι αυτής της διαφοράς είναι ακόμα ασαφείς.

Το λεγόμενο ασθενές φορτίο του πρωτονίου Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, που καθορίζει τη συμμετοχή του σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις μέσω της ανταλλαγής ΖΤο 0 μποζόνιο (παρόμοιο με το πώς το ηλεκτρικό φορτίο ενός σωματιδίου καθορίζει τη συμμετοχή του στις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις μέσω της ανταλλαγής φωτονίων) είναι 0,0719 ± 0,0045, σύμφωνα με πειραματικές μετρήσεις παραβίασης ισοτιμίας κατά τη σκέδαση πολωμένων ηλεκτρονίων στα πρωτόνια. Η μετρούμενη τιμή είναι συνεπής, εντός πειραματικού σφάλματος, με τις θεωρητικές προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου (0,0708 ± 0,0003).

Σταθερότητα

Το ελεύθερο πρωτόνιο είναι σταθερό, οι πειραματικές μελέτες δεν έχουν αποκαλύψει σημάδια διάσπασής του (κατώτερο όριο διάρκειας ζωής είναι 2,9⋅10 29 χρόνια ανεξάρτητα από το κανάλι διάσπασης, 8,2⋅10 33 χρόνια για διάσπαση σε ποζιτρόνιο και ουδέτερο πιόνιο, 6,6⋅ 10 33 χρόνια για διάσπαση σε θετικό μιόνιο και ουδέτερο πιόνιο). Δεδομένου ότι το πρωτόνιο είναι το ελαφρύτερο από τα βαρυόνια, η σταθερότητα του πρωτονίου είναι συνέπεια του νόμου της διατήρησης του αριθμού του βαρυονίου - ένα πρωτόνιο δεν μπορεί να διασπαστεί σε ελαφρύτερα σωματίδια (για παράδειγμα, σε ποζιτρόνιο και νετρίνο) χωρίς να παραβιάζει αυτόν τον νόμο. Ωστόσο, πολλές θεωρητικές επεκτάσεις του Καθιερωμένου Μοντέλου προβλέπουν διεργασίες (που δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί) που θα οδηγούσαν σε μη διατήρηση του αριθμού του βαρυονίου και ως εκ τούτου σε διάσπαση πρωτονίων.

Ένα πρωτόνιο που δεσμεύεται σε έναν ατομικό πυρήνα είναι ικανό να συλλάβει ένα ηλεκτρόνιο από το ηλεκτρόνιο K-, L- ή M-κέλυφος του ατόμου (η λεγόμενη «σύλληψη ηλεκτρονίων»). Ένα πρωτόνιο του ατομικού πυρήνα, έχοντας απορροφήσει ένα ηλεκτρόνιο, μετατρέπεται σε νετρόνιο και ταυτόχρονα εκπέμπει ένα νετρίνο: p+e − →+ν μι . Μια «τρύπα» στη στιβάδα K-, L- ή M που σχηματίζεται από τη σύλληψη ηλεκτρονίων είναι γεμάτη με ένα ηλεκτρόνιο από μια από τις υπερκείμενες στοιβάδες ηλεκτρονίων του ατόμου, εκπέμποντας χαρακτηριστικές ακτίνες Χ που αντιστοιχούν στον ατομικό αριθμό Ζ− 1 και/ή ηλεκτρόνια τρυπήματος. Είναι γνωστά πάνω από 1000 ισότοπα από 7
4 έως 262
105, αποσύνθεση με σύλληψη ηλεκτρονίων. Σε επαρκώς υψηλές διαθέσιμες ενέργειες διάσπασης (παραπάνω 2μ ε γ 2 ≈ 1,022 MeV) ανοίγει ένα ανταγωνιστικό κανάλι διάσπασης - διάσπαση ποζιτρονίων p → +e ++ν μι . Πρέπει να τονιστεί ότι αυτές οι διεργασίες είναι δυνατές μόνο για ένα πρωτόνιο σε ορισμένους πυρήνες, όπου η ενέργεια που λείπει αναπληρώνεται με τη μετάβαση του προκύπτοντος νετρονίου σε ένα χαμηλότερο πυρηνικό κέλυφος. για ένα ελεύθερο πρωτόνιο απαγορεύονται από το νόμο της διατήρησης της ενέργειας.

Η πηγή των πρωτονίων στη χημεία είναι τα ορυκτά (νιτρικό, θειικό, φωσφορικό και άλλα) και τα οργανικά (μυρμηκικό, οξικό, οξαλικό και άλλα) οξέα. Σε ένα υδατικό διάλυμα, τα οξέα είναι ικανά να διασπαστούν με την απομάκρυνση ενός πρωτονίου, σχηματίζοντας ένα κατιόν υδρονίου.

Στην αέρια φάση, τα πρωτόνια λαμβάνονται με ιονισμό - την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα άτομο υδρογόνου. Το δυναμικό ιοντισμού ενός μη διεγερμένου ατόμου υδρογόνου είναι 13.595 eV. Όταν το μοριακό υδρογόνο ιονίζεται από γρήγορα ηλεκτρόνια σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία δωματίου, σχηματίζεται αρχικά το μοριακό ιόν υδρογόνου (H 2 +) - ένα φυσικό σύστημα που αποτελείται από δύο πρωτόνια που συγκρατούνται μαζί σε απόσταση 1,06 επί ένα ηλεκτρόνιο. Η σταθερότητα ενός τέτοιου συστήματος, σύμφωνα με τον Pauling, προκαλείται από τον συντονισμό ενός ηλεκτρονίου μεταξύ δύο πρωτονίων με «συχνότητα συντονισμού» ίση με 7·10 14 s −1. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται σε αρκετές χιλιάδες μοίρες, η σύνθεση των προϊόντων ιονισμού υδρογόνου αλλάζει υπέρ των πρωτονίων - H +.

Εφαρμογή

δείτε επίσης

Σημειώσεις

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Θεμελιώδεις φυσικές σταθερές --- Πλήρης καταχώριση
2. CODATA Τιμή: μάζα πρωτονίου
3. CODATA Τιμή: μάζα πρωτονίου σε u
4. Ahmed S.; et al. (2004). «Περιορισμοί στη διάσπαση των νουκλεονίων μέσω αόρατων τρόπων λειτουργίας από το Παρατηρητήριο Νετρίνων Sudbury». Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. Τιμή CODATA: ισοδύναμη ενέργειας μάζας πρωτονίων σε MeV
6. CODATA Τιμή: λόγος μάζας πρωτονίου-ηλεκτρονίου
7. , Με. 67.
8. Hofstadter P.Δομή πυρήνων και νουκλεονίων // Φυσ. - 1963. - Τ. 81, Αρ. 1. - Σ. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Shchelkin K. I.Εικονικές διεργασίες και η δομή του νουκλεονίου // Physics of the Microworld - M.: Atomizdat, 1965. - Σ. 75.
10. Zhdanov G.B.Ελαστική σκέδαση, περιφερειακές αλληλεπιδράσεις και συντονισμοί // Σωματίδια υψηλής ενέργειας. Υψηλές ενέργειες στο διάστημα και τα εργαστήρια - Μ.: Nauka, 1965. - Σελ. 132.
11. Burkert V. D., Elouadrhiri L., Girod F. X.Η κατανομή πίεσης μέσα στο πρωτόνιο // Φύση. - 2018. - Μάιος (τ. 557, αρ. 7705). - Σ. 396-399. - DOI:10.1038/s41586-018-0060-z.
12. Bethe, G., Morrison F.Στοιχειώδης θεωρία του πυρήνα. - M: IL, 1956. - P. 48.

Το υδρογόνο, ένα στοιχείο που έχει την απλούστερη δομή. Έχει θετικό φορτίο και σχεδόν απεριόριστη διάρκεια ζωής. Είναι το πιο σταθερό σωματίδιο στο Σύμπαν. Τα πρωτόνια που παράγονται από τη Μεγάλη Έκρηξη δεν έχουν ακόμη διασπαστεί. Η μάζα πρωτονίων είναι 1,627*10-27 kg ή 938,272 eV. Πιο συχνά αυτή η τιμή εκφράζεται σε ηλεκτρονβολτ.

Το πρωτόνιο ανακαλύφθηκε από τον «πατέρα» της πυρηνικής φυσικής, τον Ernest Rutherford. Έθεσε την υπόθεση ότι οι πυρήνες των ατόμων όλων των χημικών στοιχείων αποτελούνται από πρωτόνια, αφού η μάζα τους υπερβαίνει τον πυρήνα ενός ατόμου υδρογόνου κατά ακέραιο αριθμό φορές. Ο Ράδερφορντ έκανε ένα ενδιαφέρον πείραμα. Εκείνη την εποχή είχε ήδη ανακαλυφθεί η φυσική ραδιενέργεια ορισμένων στοιχείων. Χρησιμοποιώντας ακτινοβολία άλφα (τα σωματίδια άλφα είναι πυρήνες ηλίου υψηλής ενέργειας), ο επιστήμονας ακτινοβόλησε άτομα αζώτου. Ως αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης, ένα σωματίδιο πέταξε έξω. Ο Ράδερφορντ πρότεινε ότι ήταν πρωτόνιο. Περαιτέρω πειράματα σε θάλαμο με φυσαλίδες Wilson επιβεβαίωσαν την υπόθεσή του. Έτσι, το 1913, ανακαλύφθηκε ένα νέο σωματίδιο, αλλά η υπόθεση του Ράδερφορντ για τη σύνθεση του πυρήνα αποδείχθηκε αβάσιμη.

Ανακάλυψη του νετρονίου

Ο μεγάλος επιστήμονας βρήκε ένα λάθος στους υπολογισμούς του και υπέβαλε μια υπόθεση για την ύπαρξη ενός άλλου σωματιδίου που είναι μέρος του πυρήνα και έχει σχεδόν την ίδια μάζα με ένα πρωτόνιο. Πειραματικά, δεν μπόρεσε να το εντοπίσει.

Αυτό έγινε το 1932 από τον Άγγλο επιστήμονα Τζέιμς Τσάντγουικ. Διεξήγαγε ένα πείραμα στο οποίο βομβάρδισε άτομα βηρυλλίου με σωματίδια άλφα υψηλής ενέργειας. Ως αποτέλεσμα της πυρηνικής αντίδρασης, ένα σωματίδιο εκπέμπεται από τον πυρήνα του βηρυλλίου, που αργότερα ονομάστηκε νετρόνιο. Για την ανακάλυψή του, ο Chadwick έλαβε το βραβείο Νόμπελ τρία χρόνια αργότερα.

Η μάζα ενός νετρονίου διαφέρει πραγματικά ελάχιστα από τη μάζα ενός πρωτονίου (1.622 * 10-27 kg), αλλά αυτό το σωματίδιο δεν έχει φορτίο. Υπό αυτή την έννοια, είναι ουδέτερο και ταυτόχρονα ικανό να προκαλέσει σχάση βαρέων πυρήνων. Λόγω της έλλειψης φορτίου, ένα νετρόνιο μπορεί εύκολα να περάσει μέσα από το υψηλό φράγμα δυναμικού Coulomb και να διεισδύσει στη δομή του πυρήνα.

Το πρωτόνιο και το νετρόνιο έχουν κβαντικές ιδιότητες (μπορούν να εμφανίσουν τις ιδιότητες των σωματιδίων και των κυμάτων). Η ακτινοβολία νετρονίων χρησιμοποιείται για ιατρικούς σκοπούς. Η υψηλή διεισδυτική ικανότητα επιτρέπει σε αυτή την ακτινοβολία να ιονίζει τους όγκους σε βάθος και άλλους κακοήθεις σχηματισμούς και να τους ανιχνεύει. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια των σωματιδίων είναι σχετικά χαμηλή.

Το νετρόνιο, σε αντίθεση με το πρωτόνιο, είναι ένα ασταθές σωματίδιο. Η διάρκεια ζωής του είναι περίπου 900 δευτερόλεπτα. Διασπάται σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο ηλεκτρονίων.