Маса протону.

ВИЗНАЧЕННЯ

Протономназивають стабільну частинку, що належить класу адронів, яка є ядром атома водню.

Вчені розходяться на думці, яку і наукові події вважати відкриттям протона. Важливу роль у відкритті протона відіграли:

1. створення Е. Резерфордом планетарної моделі атома;
2. відкриття ізотопів Ф. Содді, Дж. Томсон, Ф. Астоном;
3. спостереження за поведінкою ядер атомів водню при вибиванні їх альфа-частинками з ядер азоту Е. Резерфорд.

Перші фотографії слідів протона було отримано П. Блекеттом у камері Вільсона щодо процесів штучного перетворення елементів. Блекет досліджував процес захоплення альфа частинок ядрами азоту. У цьому процесі випускався протон і ядро ​​азоту перетворювалося на ізотоп кисню.

Протони разом із нейтронами входять до складу ядер всіх хімічних елементів. Кількість протонів у ядрі визначає атомний номер елемента у періодичній системі Д.І. Менделєєва.

Протон – це позитивно заряджена частка. Її заряд дорівнює модулю елементарному заряду, тобто величині заряду електрона. Заряд протона часто позначають як , тоді можна записати, що:

В даний час вважають, що протон не є елементарною частинкою. Він має складну структуру і складається з двох u-кварків та одного d-кварка. Електричний заряд u - кварка () позитивний і він дорівнює

Електричний заряд d - кварка () негативний і дорівнює:

Кварки пов'язують обмін глюонами, які є квантами поля, вони переносять сильну взаємодію. Те, що протони мають у своїй структурі кілька точкових центрів розсіювання, підтверджено експериментами з розсіювання електронів на протонах.

Протон має кінцеві розміри, про які вчені й досі сперечаються. В даний час протон представляють як хмару, яка має розмитий кордон. Така межа складається з постійно виникаючих та анігілюючих віртуальних частинок. Але в більшості простих завдань протон, звичайно, можна вважати точковим зарядом. Маса спокою протона () приблизно дорівнює:

Маса протона у 1836 разів більша, ніж маса електрона.

Протони беруть участь у всіх фундаментальних взаємодіях: сильні взаємодії поєднують протони та нейтрони в ядра, електрони та протони за допомогою електромагнітних взаємодій з'єднуються в атомах. Як слабку взаємодію можна навести, наприклад, бета-розпад нейтрону (n):

де p – протон; - Електрон; - Антинейтрино.

Розпад протона отриманий поки що не був. Це є одним із важливих сучасних завдань фізики, оскільки це відкриття стало б суттєвим кроком у розумінні єдності сил природи.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Ядра атома натрію бомбардують протонами. Якою є сила електростатичного відштовхування протона від ядра атома, якщо протон знаходиться на відстані м. Вважайте, що заряд ядра атома натрію в 11 разів більший за заряд протона. Вплив електронної оболонки атома натрію не можна читати.
Рішення	За основу розв'язання задачі ухвалимо закон Кулона, який можна для нашого завдання (вважаючи частки точковими) записати так: де F – сила електростатичної взаємодії заряджених частинок; Кл - заряд протона; - Заряд ядра атома натрію; - діелектрична проникність вакууму; - Електрична постійна. Використовуючи наявні дані можна провести обчислення шуканої сили відштовхування:
Відповідь	Н

ПРИКЛАД 2

Колись вважалося, що найдрібніша одиниця будови будь-якої речовини – це молекула. Потім, з винаходом потужніших мікроскопів, людство з подивом відкрило собі поняття атома - складової частинки молекул. Здавалося б, значно менше? Тим часом, ще пізніше з'ясувалося, що атом, своєю чергою, складається з дрібніших елементів.

На початку 20 століття британський фізик відкрив наявність в атомі ядер - центральних структур, саме цей момент позначив початок низки нескінченних відкриттів, що стосуються устрою найдрібнішого структурного елемента речовини.

На сьогоднішній день, ґрунтуючись на ядерній моделі та завдяки численним дослідженням, відомо, що атом складається з ядра, яке оточене електронною хмарою.У складі такої "хмари" - електрони, або елементарні частинки з негативним зарядом. До складу ядра, навпаки, входять частинки з електрично позитивним зарядом, які отримали назву протони.Вже згаданий британський фізик зміг спостерігати і згодом описати це явище. В 1919 він проводив експеримент, який полягав у тому, що альфа-частинки вибивали ядра водню з ядер інших елементів. Таким чином, йому вдалося з'ясувати та довести, що протони – не що інше, як ядро ​​без єдиного електрона. У сучасній фізиці протони позначаються символом p або p+ (що означає позитивний заряд).

Протон у перекладі з грецької означає "перший, основний" - елементарна частка, що відноситься до класу баріонів,тобто. щодо важких Є стабільною структурою, час його життя становить понад 2,9 х 10(29) років.

Строго кажучи, крім протона містить також і нейтрони, які, виходячи з назви, нейтрально заряджені. Обидва ці елементи називають нуклонами.

Маса протона, внаслідок цілком очевидних обставин, тривалий час не могла бути виміряна. Тепер відомо, що вона становить

mp=1,67262∙10-27 кг.

Саме так виглядає і маса спокою протона.

Перейдемо до розгляду специфічних різних галузей фізики розуміння маси протона.

Маса частинки в рамках ядерної фізики частіше набуває іншого вигляду, одиницею її виміру є а.е.м.

А.Є.М. - Атомна одиниця маси. Одна а.е.м. дорівнює 1/12 маси атома вуглецю, масове число якого дорівнює 12. Звідси 1 атомна одиниця маси дорівнює 1,66057 10-27 кг.

Маса протона, отже, виглядає так:

mp = 1,007276 а. е. м.

Існує ще один спосіб висловити масу цієї позитивно зарядженої частинки, використовуючи інші одиниці виміру. Для цього спочатку потрібно прийняти як аксіому еквівалентність маси та енергії E=mc2. Де з – а m – маса тіла.

Маса протона у разі буде вимірюватися в мегаэлектронвольтах чи МеВ. Така одиниця виміру використовується виключно в ядерній та атомній фізиці і служить для вимірювання тієї енергії, що необхідна для перенесення частки між двома точками в тій умові, що різниця потенціалів між цими точками дорівнює 1 Вольту.

Звідси, враховуючи, що 1 а. = 931,494829533852 МеВ, маса протона дорівнює приблизно

Такий висновок був отриманий на підставі мас-спектроскопічних вимірювань, і саме масу в тому вигляді, в якому вона наведена вище, прийнято також називати е нергією спокою протона.

Таким чином, орієнтуючись на потреби експерименту, маса найдрібнішої частки може бути виражена трьома різними значеннями, у трьох різних одиницях виміру.

Крім того, маса протона може бути виражена щодо маси електрона, який, як відомо, набагато "важче" позитивно зарядженої частинки. Рівнятися маса при грубому підрахунку та значних похибках у цьому випадку буде 1836,152672 щодо маси електрона.

Протони беруть участь у термоядерних реакціях, які є основним джерелом енергії, що генерується зірками. Зокрема, реакції pp-циклу, який є джерелом майже всієї енергії, що випромінюється Сонцем, зводяться до з'єднання чотирьох протонів в ядро ​​гелію-4 з перетворенням двох протонів на нейтрони.

У фізиці протон позначається p(або p+). Хімічне позначення протона (що розглядається як позитивний іон водню) - H + , астрофізичне - HII.

Відкриття [ | ]

Властивості протону[ | ]

Відношення мас протона і електрона, що дорівнює 1836,152 673 89(17) , з точністю до 0,002% дорівнює значенню 6 5 = 1836,118 ...

Внутрішня структура протона вперше була експериментально досліджена Р. Хофштадтером шляхом вивчення зіткнень пучка електронів високих енергій (2 ГеВ) з протонами (Нобелівська премія з фізики 1961). Протон складається з важкої серцевини (керна) радіусом см, з високою щільністю маси та заряду, що несе ≈ 35 % (\displaystyle \approx 35\%)електричного заряду протона та навколишнього його щодо розрідженої оболонки. На відстані від ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 0,25\cdot 10^(-13))до ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 1,4\cdot 10^(-13))см ця оболонка складається в основному з віртуальних ρ- і π-мезонів, що несуть ≈ 50 % (\displaystyle \approx 50\%)електричного заряду протона, потім до відстані ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 2,5\cdot 10^(-13))см простягається оболонка з віртуальних ω- і π-мезонів, що несуть ~15% електричного заряду протона.

Тиск у центрі протона, створюваний кварками, становить близько 10 35 Па (10 30 атмосфер), тобто вище тиску всередині нейтронних зірок.

Магнітний момент протона вимірюється шляхом вимірювання відношення резонансної частоти прецесії магнітного моменту протона в заданому однорідному магнітному полі та циклотронної частоти обігу протона по круговій орбіті в тому самому полі.

З протоном пов'язані три фізичні величини, що мають розмірність довжини:

Вимірювання радіусу протону за допомогою атомів звичайного водню, що проводяться різними методами з 1960-х років, привели (CODATA -2014) до результату 0,8751±0,0061 фемтометра(1 фм = 10 -15 м). Перші експерименти з атомами мюонного водню (де електрон замінено мюон) дали цього радіусу на 4 % менший результат 0,84184 ± 0,00067 фм . Причини такої відмінності поки не зрозумілі.

Так званий протон Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, Що визначає його участь у слабких взаємодіях шляхом обміну Z 0 -бозоном (аналогічно тому як електричний заряд частки визначає її участь в електромагнітних взаємодіях шляхом обміну фотоном), становить 0,0719 ± 0,0045 згідно експериментальним вимірюванням порушення парності при розсіянні поляризованих електронів на протонах . Виміряна величина в межах експериментальної похибки узгоджується з теоретичними передбаченнями Стандартної моделі (0,0708±0,0003).

Стабільність [ | ]

Вільний протон стабільний, експериментальні дослідження не виявили жодних ознак його розпаду (нижнє обмеження на час життя - 2,9⋅10 29 років незалежно від каналу розпаду , 8,2⋅10 33 років для розпаду в позитрон і нейтральний півонія , 6,6⋅ 10 33 років для розпаду в позитивний мюон і нейтральний півонія). Оскільки протон є найлегшим з баріонів, стабільність протона є наслідком закону збереження баріонного числа - протон не може розпастись у будь-які легші частки (наприклад, позитрон і нейтрино) без порушення цього закону. Однак багато теоретичних розширень Стандартної моделі передбачають процеси (доки не спостерігалися), наслідком яких було б незбереження баріонного числа і, отже, розпад протона.

Протон, пов'язаний в атомному ядрі, здатний захоплювати електрон з електронною K-, L- або M-оболонки атома (т.з. «електронне захоплення»). Протон атомного ядра, поглинувши електрон, перетворюється на нейтрон і одночасно випускає нейтрино: p+e − →+ν e . "Дірка" в K-, L- або M-шарі, що утворилася при електронному захопленні, заповнюється електроном одного з вищележачих електронних шарів атома з випромінюванням характеристичних рентгенівських променів, що відповідають атомному номеру Z− 1 , та/або Оже-електронів . Відомо понад 1000 ізотопів від 7
4 до 262
105 розпадаються шляхом електронного захоплення. При досить високих доступних енергіях розпаду (вище 2m e c 2 ≈ 1,022 МеВ) відкривається конкуруючий канал розпаду - позитронний розпад p → +e ++ν e . Слід підкреслити, що ці процеси можливі тільки для протона в деяких ядрах, де недостатня енергія заповнюється переходом нейтрону, що утворився, на більш низьку ядерну оболонку; для вільного протона вони заборонені законом збереження енергії.

Джерелом протонів у хімії є мінеральні (азотна, сірчана, фосфорна та інші) та органічні (мурашина, оцтова, щавлева та інші) кислоти. У водному розчині кислоти здатні до дисоціації з відщепленням протона, що утворює катіон гідроксонію.

У газовій фазі протони отримують іонізацією-відривом електрона від атома водню. Потенціал іонізації незбудженого атома водню становить 13,595 еВ. При іонізації молекулярного водню швидкими електронами при атмосферному тиску та кімнатній температурі спочатку утворюється молекулярний іон водню (H 2 +) – фізична система, що складається з двох протонів, що утримуються разом на відстані 1,06 одним електроном. Стабільність такої системи, за Полінгом, викликана резонансом електрона між двома протонами з «резонансною частотою», що дорівнює 7 10 14 с −1 . При підвищенні температури до кількох тисяч градусів склад продуктів іонізації водню змінюється на користь протонів – H+.

Застосування [ | ]

Пучки прискорених протонів використовуються в експериментальній фізиці елементарних частинок (вивчення процесів розсіювання та одержання пучків інших частинок), у медицині (протонна терапія онкологічних захворювань).

Див. також [ | ]

Примітки [ | ]

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.; та ін. (2004). “Constraints on Nucleon Decay за допомогою Invisible Modes від 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 та нуклонів // УФН. – 1963. – Т. 81, № 1. – С. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Щолкін К. І.Віртуальні процеси та будова нуклону // Фізика мікросвіту - М.: Атоміздат, 1965. - С. 75.
10. Пружні розсіювання, периферичні взаємодії та резонони // Частинки високих енергій. Високі енергії в космосі та лабораторії – М.: Наука, 1965. – С. 132.

, електромагнітне та гравітаційне

Протони беруть участь у термоядерних реакціях, які є основним джерелом енергії, що генерується зірками. Зокрема, реакції pp-циклу, який є джерелом майже всієї енергії, що випромінюється Сонцем, зводяться до з'єднання чотирьох протонів в ядро ​​гелію-4 з перетворенням двох протонів на нейтрони.

У фізиці протон позначається p(або p+). Хімічне позначення протона (що розглядається як позитивний іон водню) - H + , астрофізичне - HII.

Відкриття

Властивості протону

Відношення мас протона і електрона, що дорівнює 1836,152 673 89(17) , з точністю до 0,002% дорівнює значенню 6 5 = 1836,118 ...

Внутрішня структура протона вперше була експериментально досліджена Р. Хофштадтером шляхом вивчення зіткнень пучка електронів високих енергій (2 ГеВ) з протонами (Нобелівська премія з фізики 1961). Протон складається з важкої серцевини (керна) радіусом см, з високою щільністю маси та заряду, що несе ≈ 35 % (\displaystyle \approx 35\,\%)електричного заряду протона та навколишнього його щодо розрідженої оболонки. На відстані від ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 0(,)25\cdot 10^(-13))до ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 1(,)4\cdot 10^(-13))см ця оболонка складається в основному з віртуальних ρ- і π-мезонів, що несуть ≈ 50 % (\displaystyle \approx 50\,\%)електричного заряду протона, потім до відстані ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 2(,)5\cdot 10^(-13))см простягається оболонка з віртуальних ω- і π-мезонів, що несуть ~15% електричного заряду протона.

Тиск у центрі протона, створюваний кварками, становить близько 10 35 Па (10 30 атмосфер), тобто вище тиску всередині нейтронних зірок.

Магнітний момент протона вимірюється шляхом вимірювання відношення резонансної частоти прецесії магнітного моменту протона в заданому однорідному магнітному полі та циклотронної частоти обігу протона по круговій орбіті в тому самому полі.

З протоном пов'язані три фізичні величини, що мають розмірність довжини:

Вимірювання радіусу протону за допомогою атомів звичайного водню, що проводяться різними методами з 1960-х років, привели (CODATA -2014) до результату 0,8751±0,0061 фемтометра(1 фм = 10 -15 м). Перші експерименти з атомами мюонного водню (де електрон замінено мюон) дали цього радіусу на 4 % менший результат 0,84184 ± 0,00067 фм . Причини такої відмінності поки не зрозумілі.

Так званий слабкий заряд протону Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, Що визначає його участь у слабких взаємодіях шляхом обміну Z 0 -бозоном (аналогічно тому як електричний заряд частки визначає її участь в електромагнітних взаємодіях шляхом обміну фотоном), становить 0,0719 ± 0,0045 згідно експериментальним вимірюванням порушення парності при розсіянні поляризованих електронів на протонах . Виміряна величина в межах експериментальної похибки узгоджується з теоретичними передбаченнями Стандартної моделі (0,0708±0,0003).

Стабільність

Вільний протон стабільний, експериментальні дослідження не виявили жодних ознак його розпаду (нижнє обмеження на час життя - 2,9⋅10 29 років незалежно від каналу розпаду , 8,2⋅10 33 років для розпаду в позитрон і нейтральний півонія , 6,6⋅ 10 33 років для розпаду в позитивний мюон і нейтральний півонія). Оскільки протон є найлегшим з баріонів, стабільність протона є наслідком закону збереження баріонного числа - протон не може розпастись у будь-які легші частки (наприклад, позитрон і нейтрино) без порушення цього закону. Однак багато теоретичних розширень Стандартної моделі передбачають процеси (доки не спостерігалися), наслідком яких було б незбереження баріонного числа і, отже, розпад протона.

Протон, пов'язаний в атомному ядрі, здатний захоплювати електрон з електронною K-, L- або M-оболонки атома (т.з. «електронне захоплення»). Протон атомного ядра, поглинувши електрон, перетворюється на нейтрон і одночасно випускає нейтрино: p+e − →+ν e . "Дірка" в K-, L- або M-шарі, що утворилася при електронному захопленні, заповнюється електроном одного з вищележачих електронних шарів атома з випромінюванням характеристичних рентгенівських променів, що відповідають атомному номеру Z− 1 , та/або Оже-електронів . Відомо понад 1000 ізотопів від 7
4 до 262
105 розпадаються шляхом електронного захоплення. При досить високих доступних енергіях розпаду (вище 2m e c 2 ≈ 1,022 МеВ) відкривається конкуруючий канал розпаду - позитронний розпад p → +e ++ν e . Слід підкреслити, що ці процеси можливі тільки для протона в деяких ядрах, де недостатня енергія заповнюється переходом нейтрону, що утворився, на більш низьку ядерну оболонку; для вільного протона вони заборонені законом збереження енергії.

Джерелом протонів у хімії є мінеральні (азотна, сірчана, фосфорна та інші) та органічні (мурашина, оцтова, щавлева та інші) кислоти. У водному розчині кислоти здатні до дисоціації з відщепленням протона, що утворює катіон гідроксонію.

У газовій фазі протони отримують іонізацією-відривом електрона від атома водню. Потенціал іонізації незбудженого атома водню становить 13,595 еВ. При іонізації молекулярного водню швидкими електронами при атмосферному тиску та кімнатній температурі спочатку утворюється молекулярний іон водню (H 2 +) – фізична система, що складається з двох протонів, що утримуються разом на відстані 1,06 одним електроном. Стабільність такої системи, за Полінгом, викликана резонансом електрона між двома протонами з «резонансною частотою», що дорівнює 7 10 14 с −1 . При підвищенні температури до кількох тисяч градусів склад продуктів іонізації водню змінюється на користь протонів – H+.

Застосування

Див. також

Примітки

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.; та ін. (2004). “Constraints on Nucleon Decay за допомогою Invisible Modes від 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 та нуклонів // УФН. – 1963. – Т. 81, № 1. – С. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Щолкін К. І.Віртуальні процеси та будова нуклону // Фізика мікросвіту - М.: Атоміздат, 1965. - С. 75.
10. Жданов Г. Б.Пружні розсіювання, периферичні взаємодії та резонони // Частинки високих енергій. Високі енергії в космосі та лабораторії – М.: Наука, 1965. – С. 132.
11. Burkert V. D., Elouadrhiri L., Girod F. X. 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, Р., Моррісон Ф.Елементарна теорія ядра. – М: ІЛ, 1956. – С. 48.

Гідрогену, елемента, який має найпростішу будову. Воно має позитивний заряд та практично необмежений час життя. Це найстабільніша частка у Всесвіті. Протони, що утворилися внаслідок Великого Вибуху, досі не розпалися. Маса протона становить 1,627*10-27 кг або 938,272 еВ. Найчастіше цю величину виражають у електронвольтах.

Протон було відкрито «батьком» ядерної фізики Ернестом Резерфордом. Він висунув гіпотезу у тому, що ядра атомів всіх хімічних елементів складаються з протонів, оскільки у масі вони перевищують ядро ​​атома водню у кілька разів. Резерфорд поставив цікавий досвід. У ті часи вже було відкрито природну радіоактивність деяких елементів. За допомогою альфа-випромінювання (альфа-частинки являють собою ядра гелію з високими енергіями) вчений опромінював атоми азоту. Внаслідок такої взаємодії вилітала частка. Резерфорд припустив, що то протон. Подальші досліди у бульбашковій камері Вільсона підтвердили його припущення. Так у 1913 році було відкрито нову частинку, але гіпотеза Резерфорда про склад ядра виявилася неспроможною.

Відкриття нейтрону

Великий вчений знайшов помилку у своїх розрахунках і висунув гіпотезу про існування ще однієї частинки, що входить до складу ядра і має практично ту ж масу, що й протон. Експериментально він не зміг її виявити.

Це зробив у 1932 році зробив англійський вчений Джеймс Чедвік. Він поставив досвід, під час якого бомбардував атоми берилію високоенергетичними альфа-частинками. Внаслідок ядерної реакції з ядра берилію вилітала частка, згодом названа нейтроном. За своє відкриття Чедвік вже за три роки отримав Нобелівську премію.

Маса нейтрону дійсно мало відрізняється від маси протона (1,622*10-27 кг), але ця частка не має заряду. У цьому сенсі вона нейтральна і водночас здатна викликати поділ важких ядер. Через відсутність заряду нейтрон може легко пройти через високий кулоновський потенційний бар'єр та впровадитись у структуру ядра.

Протон і нейтрон мають квантові властивості (можуть виявляти властивості частинок і хвиль). Нейтронне випромінювання використовують із медичною метою. Висока проникаюча здатність дозволяє цьому випромінюванню іонізувати глибинні пухлини та інші злоякісні утворення та виявляти їх. При цьому енергія часток відносно невелика.

Нейтрон, на відміну протона, нестабільна частка. Її час життя становить близько 900 секунд. Вона розпадається на протон, електрон та електронне нейтрино.