1. Состав атомного ядра. Число протонов. Химия протоны


это элементарная частица :: SYL.ru

В этой статье вы найдете информацию о протоне, как элементарной частице, стоящей в основе мироздания наряду с другими её элементами, используемой в химии и физике. Будут определены свойства протона, его характеристика в химии и стабильность.

Что такое протон

Протон - это один из представителей элементарных частичек, который относят к барионам, э.ч. в которых фермионы сильно взаимодействуют, а сама частица состоит из 3-х кварков. Протон является стабильной частицей и имеет личный импульсный момент - спин ½. Физическое обозначение протона - p (или p+)

Протон – элементарная частица, принимающая участие в процессах термоядерного типа. Именно этот вид реакций по существу - главный источник энергии, генерируемый звездами во всей вселенной. Практически весь объем энергии, выделяемый Солнцем, существует только за счет объединения 4-х протонов в одно гелиевое ядро с образованием одного нейтрона из двух протонов.

Свойства присущие протону

Протон – это один из представителей барионов. Это факт. Заряд и масса протона – постоянные величины. Электрически протон заряжен +1, а его масса определена в различных единицах измерения и составляет в МэВ 938,272 0813(58), в килограммах протона вес заключен в цифрах 1,672 621 898(21)·10−27 кг, в единицах атомных масс вес протона равен 1,007 276 466 879(91) а. е. м., а в соотношении с массой электрона, протон весит 1836,152 673 89(17) в соотношении с электроном.

Протон, определение которого уже давалось выше, с точки зрения физики, – это элементарная частичка, имеющая проекцию изоспина +½, а ядерная физика воспринимает эту частицу с противоположным знаком. Сам протон является нуклоном, а состоит из 3-х кварков (двух кварков u и одного кварка d).

Экспериментально исследовал структуру протона ядерщик-физик из Соединенных Штатов Америки – Роберт Хофштадтер. Для достижения этой цели физик сталкивал протоны с электронами высоких энергий, а за описание был удостоен Нобелевской премии в области физики.

В состав протона входит керн (тяжелая сердцевина), который заключает в себе около тридцати пяти процентов энергии электрического заряда протона и имеет довольно большую плотность. Оболочка, окружающая керн, относительно разряжена. Состоит оболочка в основном из виртуальных мезонов типа и p и несет в себе около пятидесяти процентов электрического потенциала протона и находится на расстоянии, равном приблизительно от 0.25*1013 до 1,4*1013. Еще дальше, на расстоянии около 2,5*1013 сантиметров оболочка состоит из и w виртуальных мезонов и содержит в себе приблизительно оставшиеся пятнадцать процентов электрического заряда протона.

Устойчивость и стабильность протона

В свободном состоянии протон не проявляет никаких признаков распада, что свидетельствует о его стабильности. Стабильное состояние протона, как легчайшего представителя барионов, обусловлено законом сохранения числа барионов. Не нарушая закон СБЧ, протоны способны распадаться на нейтрино, позитрон и другие, более легкие элементарные частицы.

Протон ядра атомов имеет возможность захватывать некоторые виды электронов, имеющие K, L, M атомные оболочки. Протон, совершив электронный захват, переходит в нейтрон и в результате выделяет нейтрино, а образовавшаяся в результате электронного захвата «дыра» заполняется за счет электронов свыше лежащих атомных слоев.

В системах неинерциального отсчета протоны должны приобретать ограниченное время жизни, которое возможно рассчитать, это обусловлено эффектом (излучение) Унру, который в квантовой теории поля предсказывает возможное созерцание теплового излучения в системе отсчета, которая ускоряется при условии отсутствия данного вида излучения. Таким образом, протон при наличии конечного времени своего существования может подвергаться бета-распаду в позитрон, нейтрон или нейтрино, несмотря на то, что сам процесс такого распада запрещен ЗСЭ.

Использование протонов в химии

Протон - это H атом, построенный из единого протона и не имеющий электрона, так что в химическом понимании, протон - это одно ядро атома H. Нейтрон на пару с протоном создают ядро атома. В ПТХЭ Дмитрия Ивановича Менделеева номер элемента указывает число протонов в атоме конкретного элемента, а определяется номер элемента атомным зарядом.

Катионы водорода представляют собой очень сильные электронные акцепторы. В химии протоны получают в основном из кислот органической и минеральной природы. Ионизация является способом получения протонов в газовых фазах.

www.syl.ru

Состав атомного ядра. Число протонов — урок. Химия, 8–9 класс.

Предложенная Э. Резерфордом в \(1911\) году ядерная (планетарная) модель строения атома сводится к следующим положениям:

  • атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов;
  • более \(99,96\) % массы атома сосредоточено в его ядре;
  • диаметр ядра примерно в сто тысяч раз меньше диаметра самого атома.

Согласно этой модели можно дать следующее определение атома:

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ядро атома состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (ядерные частицы).

Протон  (\(p\)) — частица, имеющая заряд \(+1\) и относительную массу, равную \(1\).

Нейтрон  (\(n\)) — частица без заряда с относительной массой \(1\).

К элементарным частицам относятся также электроны (\(e\)), которые образуют электронную оболочку атома.

 

Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу. Масса электрона составляет 11840 массы протона и нейтрона. Поэтому основная масса атома сосредоточена в его ядре.

 

Протон имеет положительный заряд \(+1\). Заряд электрона — отрицательный и по величине равен заряду протона: \(–\)\(1\).

 

 Частицы    

 Обозначения   

 Относительная 

масса

 Относительный  

  заряд  

Протон

\(p\)

\(1\)

\(+1\)

Нейтрон

\(n\)

\(1\)

\(0\)

Электрон

\(e\)

\(1/1840\)

\(–1\)

 

Установлено, что число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице.

 

Заряд ядра определяется числом протонов в нём. Значит, заряд ядра тоже равен порядковому номеру элемента.

 

Атом — электронейтральная частица, поэтому число электронов в нём равно числу протонов.

 

Обрати внимание!

Порядковый номер элемента \(=\) заряд ядра атома \(=\) число протонов в ядре \(=\) число электронов  в атоме.

Водород — элемент № \(1\). Заряд ядра его атома равен \(+1\). В ядре находится один протон, а в электронной оболочке — один электрон.

 

Углерод — элемент № \(6\). Заряд ядра его атома равен \(+6\), в нём — \(6\) протонов. В атоме содержится \(6\) электронов с общим зарядом \(–\)\(6\).

 

Обрати внимание!

Заряд ядра — главная характеристика атома.

Изучение строения атомных ядер привело к уточнению формулировки периодического закона. Современная формулировка звучит следующим образом:

Свойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величин зарядов ядер их атомов.

www.yaklass.ru

Протон - это... Что такое Протон?

Прото́н (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — элементарная частица. 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 (нижнее ограничение на время жизни — 2,9·1029 лет независимо от канала распада, 1,6·1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион).

Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет (рекомендованные значения CODATA 2010 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):

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.

Кварковая структура протона

Протон в химии

Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле является ядром атома водорода (точнее, его лёгкого изотопа — протия) без электрона. В физике протон обозначается буквой p (или p+). Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) — H+, астрофизическое — HII.

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).

Интересные факты

  • Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 672 1(14)[5], с точностью до 0,002 % равно значению 6π5 = 1836,118 108 711 686…
  • Ультрарелятивистские протоны (как и любые другие адроны, а также атомные ядра) для неподвижного наблюдателя имеют форму двояковогнутой линзы[6].
  • Измерения радиуса протона с помощью атомов обычного водорода, проводимые разными методами с 1960-х годов, привели (CODATA-2006) к результату 0,8768±0,0069 фемтометра (1 фм = 10−15 м)[7]. Первые эксперименты с атомами мюонного водорода[8] дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,8418±0,0007 фм.[9] Причины такого различия пока неясны.

См. также

Литература

  • Многие известные свойства протона систематически изложены в публикации Particle Data Group. [1] (англ.)

Примечания

dic.academic.ru

Электроны, протоны, нейтроны — составляющие атомов. Элементарные (субатомные) частицы | Химия. Шпаргалка, шпора, формула, закон, ГДЗ, опыты, тесты, сообщение, реферат, кратко, конспект, книга

Тема:

Атом и элементарные частицы

Элементарные частицы являются составляющи­ми атомов. В атоме содержатся электроны, протоны и нейт­роны. Их еще называют субатомными частичками.

Из протонов и нейтронов состоит ядро атома. Простран­ство вокруг ядра занято электронами.

В состав атома входят и заряженные, и незаря­женные частички. А заряжен ли сам атом? Экс­периментально доказано, что эта частица вещества электронейтральна. Это означает, что положительный заряд всех протонов компенсирует отрицательный заряд всех электро­нов в атоме. Ведь сумма одинаковых по величине и противо­положных по знаку зарядов равна нулю.

Как соотносится количество протонов с количеством электронов в атоме?

Проанализируем данные таблицы:

Название частицы

Величина заряда

Атом

0

Электрон

-1

Протон

+1

Нейтрон

0

В природе наименьший заряд имеет электрон. Поэтому данный заряд избрали как единицу измерения зарядов элементарных частиц.

Рис. 5.4. 1. Приблизительная величина ядра. 2. Приблизительная величина околоядерного пространства, занятого электронами
Рис. 5.5. В атоме водорода (1) содержится 1 протон и 1 электрон; в атоме углерода (2) — 6 протонов и 6 электронов; в атоме золота (3) — 79 протонов и 79 электронов

Очевидно, что заряд одного протона компенсирует заряд одного электрона.

Поскольку атом электронейтрален, легко сделать вывод: Материал с сайта http://worldofschool.ru

количество электронов в атоме равно количеству про­тонов в его ядре.

Например, в ядре атома водорода один протон. Значит, и электрон в атоме водорода также один (рис. 5.5, 1).

Количество протонов в атоме равно величине заряда его ядра.

Атом — электронейтральная частичка, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов, которые занимают пространство вокруг ядра.

Например, в атоме углерода шесть протонов. Значит, ве­личина заряда ядра его атома +6. А пространство вокруг яд­ра занимают 6 электронов.

В атоме кислорода восемь электронов. Величина заряда ядра атома азота +7.

На этой странице материал по темам:
  • Элементарные частицы доклад химия

  • Субатомная химия

  • Доклад протоны электрон

  • Доклад по химии протоны электроны

  • Голуби образ жизни

Вопросы по этому материалу:
  • Определи количество протонов в ядре атома кислорода.

  • Определи количество протонов в ядре атома азота и количество электронов вокруг ядра.

worldofschool.ru

Протон Википедия

Протон Квантовые числа Другие свойства
Символ p, p+
Масса 938,272 0813(58) МэВ[1]1,672 621 898(21)·10−27кг[2]1,007 276 466 879(91) а. е. м.[3]
Античастица Антипротон (p¯){\displaystyle ({\bar {p}})}
Участвует во взаимодействиях Сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное
Классы фермион, адрон, барион, N-барион, нуклон
Электрический заряд +1
Спин 1/2
Изотопический спин 1/2
Барионное число 1
Странность 0
Очарование 0
Время жизни ∞ (не менее 2,9·1029 лет[4])
Схема распада нет
Кварковый состав uud

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.

Кварковая структура протона

В физике протон обозначается p (или p+). Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) — H+, астрофизическое — HII.

Открытие

Открыт Эрнестом Резерфордом в 1919 году.

Свойства протона

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 2014 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):

Внутренняя чётность протона равна 1.[7]

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 89(17)[6], с точностью до 0,002 % равно значению 6π5 = 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.)[8]. Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом ≈0,25⋅10−13{\displaystyle \approx 0,25\cdot 10^{-13}} 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[9][10].

Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 1035Па (1030атмосфер), то есть выше давления внутри нейтронных звёзд[11].

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[12].

С протоном связаны три физических величины, имеющих размерность длины:

  • комптоновская длина волны протона λK=2πℏmc≈1,32⋅10−13{\displaystyle \lambda _{K}={\frac {2\pi \hbar }{mc}}\approx 1,32\cdot 10^{-13}} см;
  • расстояние от центра протона до максимума плотности электрического заряда RE≈0,75⋅10−13{\displaystyle R_{E}\approx 0,75\cdot 10^{-13}} см[10];
  • гравитационный радиус протона RG=2Gmc2≈2,48⋅10−52{\displaystyle R_{G}={\frac {2Gm}{c^{2}}}\approx 2,48\cdot 10^{-52}} см.

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)[13]. Первые эксперименты с атомами мюонного водорода (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,84184 ± 0,00067 фм[14][15]. Причины такого различия пока неясны.

Ультрарелятивистские протоны (как и любые другие адроны, а также атомные ядра) для неподвижного наблюдателя имеют форму двояковогнутой линзы[16].

Так называемый слабый заряд протона Qw ≈ 1 − 4 sin2θW, определяющий его участие в слабых взаимодействиях путём обмена Z0-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[17]. Измеренная величина в пределах экспериментальной погрешности согласуется с теоретическими предсказаниями Стандартной модели (0,0708 ± 0,0003)[17].

Стабильность

Свободный протон стабилен, экспериментальные исследования не выявили никаких признаков его распада (нижнее ограничение на время жизни — 2,9·1029 лет независимо от канала распада[4], 8,2·1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион[18], 6,6·1033 лет для распада в положительный мюон и нейтральный пион[18]). 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+νe. «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 74Be до 262105Db, распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше 2mec2 ≈ 1,022 МэВ) открывается конкурирующий канал распада — позитронный распад p → n+e++νe. 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[19] — открывается возможность его обратного бета-распада на нейтрон, позитрон и нейтрино p → n+e++νe, запрещённого законом сохранения энергии для покоящегося или равномерно движущегося протона[20][21]. Однако при достижимых в лаборатории ускорениях этот эффект мал и никогда не наблюдался экспериментально.

Протон в химии

Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле является ядром атома 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[22].

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 (h3+) — 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 7·1014 с−1[23]. 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)[24][25].

См. также

Примечания

  1. ↑ http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants --- Complete Listing
  2. ↑ 1 2 CODATA Value: proton mass
  3. ↑ 1 2 CODATA Value: proton mass in u
  4. ↑ 1 2 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. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID 15089201. Bibcode: 2004PhRvL..92j2004A.
  5. ↑ CODATA Value: proton mass energy equivalent in MeV
  6. ↑ 1 2 CODATA Value: proton-electron mass ratio
  7. ↑ Широков, 1972, 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. ↑ 1 2 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.
  13. ↑ Proton rms charge radius (англ.). Fundamental Physical Constants. NIST (2014). Проверено 3 апреля 2016.
  14. ↑ Pohl R. et al. (8 July 2010). «The size of the proton». Nature 466 (7303): 213–216. DOI:10.1038/nature09250. PMID 20613837. Bibcode: 2010Natur.466..213P. Проверено 2010-07-09.
  15. ↑ Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen
  16. ↑ Иванов И. Какую форму имеет быстро летящий протон? = B. Blok, L. Frankfurt, M. Strikman. On the shape of a rapid hadron in QCD.
  17. ↑ 1 2 The Jefferson Lab Qweak Collaboration. Precision measurement of the weak charge of the proton (англ.) // Nature. — 2018. — May (vol. 557, no. 7704). — P. 207—211. — DOI:10.1038/s41586-018-0096-0.
  18. ↑ 1 2 Nishino H. et al. (2009). «Search for Proton Decay via p→e+π0 and p→μ+π0 in a Large Water Cherenkov Detector». Physical Review Letters 102 (14): 141801. arXiv:0903.0676. DOI:10.1103/PhysRevLett.102.141801. PMID 19392425. Bibcode: 2009PhRvL.102n1801N.
  19. ↑ Mueller R. Decay of accelerated particles (англ.) // Phys. Rev. D. — 1997. — Vol. 56. — P. 953—960. — DOI:10.1103/PhysRevD.56.953. — arXiv:hep-th/9706016.
  20. ↑ Vanzella D. A. T., Matsas G. E. A. Decay of accelerated protons and the existence of the Fulling-Davies-Unruh effect (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2001. — Vol. 87. — P. 151301. — DOI:10.1103/PhysRevLett.87.151301. — arXiv:gr-qc/0104030.
  21. ↑ Suzuki H., Yamada K. Analytic Evaluation of the Decay Rate for Accelerated Proton (англ.) // Phys. Rev. D. — 2003. — Vol. 67. — P. 065002. — DOI:10.1103/PhysRevD.67.065002. — arXiv:gr-qc/0211056.
  22. ↑ Химический энциклопедический словарь / гл. редактор И.Л.Кнунянц. — М.: «Советская энциклопедия», 1983. — С. 484. — 792 с.
  23. ↑ Л. Паулинг. Природа химической связи. — Госхимиздат, 1947. — С. 26. — 440 с.
  24. ↑ Гольдин Л. Л., Джелепов В. П., Ломанов М. Ф., Савченко О. В., Хорошков В. С. Применение тяжелых заряженных частиц высокой энергии в медицине // УФН. — 1973. — Т. 110. — С. 77—99.
  25. ↑ Кокурина E. Лечебная подводная лодка // В мире науки. — 2017. — № 8/9. — С. 40—48.

Литература

  • Многие известные свойства протона систематически изложены в публикации Particle Data Group. [1] (англ.)
  • Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
  • Резерфорд Э. Избр. научные труды. Кн. 2 — Строение атома и искусственное превращение элементов, пер. с англ. М., 1972.
  • Жакоб М., Ландшофф П. Внутренняя структура протона // УФН. — 1981. — Т. 133, вып. 3. — С. 505—524. — DOI:10.3367/UFNr.0133.198103d.0505.
  • Дрелл С. Д., Захариазен Ф. Электромагнитная структура нуклонов. — М.: ИЛ, 1962. — 175 с.
  • Шелест В. П. Лекции о структуре и свойствах адронов. — М: Атомиздат, 1976. — 248 с.

wikiredia.ru

Протон — Традиция

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»

Прото́н (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — элементарная частица, имеющая положительный электрический заряд и входящая в состав ядра каждого атома. Общим названием для протонов и нейтронов является нуклон.

Свободный протон, не связанный с нуклонами, электронами и другими частицами, является стабильным и не испытывает распада. Протон быстро связывается с электронами, поэтому свободные протоны наблюдаются лишь при достаточно больших энергиях или температуре среды, в состоянии плазмы. При движении быстрых протонов в веществе они тормозятся за счёт столкновений с ядрами и электронными облаками, производя ионизацию атомов, а затем вступают в химическую реакцию или захватывают электрон, превращаясь в атомы водорода.

Протоны составляют более 90 % частиц, входящих в состав космических лучей. В составе водорода протоны составляют основу молекулярных облаков, распространённых в межзвёздном пространстве. В земных условиях атомы водорода соединяются в молекулы, образуя газ, который используется в промышленности для различных целей. Ускоренные протоны являются важным источником частиц в ускорителях.

Распады нейтронов приводят к образованию протонов, электронов и антинейтрино. Кроме этого, протоны могут излучаться некоторыми атомными ядрами при их радиоактивном распаде.

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.

Физические свойства[править]

Протон относится к барионам, имеет спин 1/2, электрический заряд +1 в единицах элементарного заряда, что равно 1,602176565(35) × 10−19 К. Электрический дипольный момент не превышает значения 5,4 × 10−24 К•см. Электрическая поляризуемость протона равна 1,20(6) × 10−48 м3 ,[1] а магнитная поляризуемость равна 1,9(5) × 10−49 м3.

Магнитный момент протона равен 1,410606743(33) × 10−26 Дж•Т−1, что в 2,792847356(23) раз больше амплитуды магнитного момента нейтрона. Отношение магнитного момента протона к магнетону Бора равно 1,521032210(12)  × 10−3.

В физике элементарных частиц протон рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1/2 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Протон участвует в четырёх фундаментальных взаимодействиях, среди которых гравитация, электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие, слабое взаимодействие.

Структура[править]

Согласно квантовой хромодинамике, протон является фермионом со спином ½ и состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). Предполагается, что кварки связаны друг с другом посредством сильного взаимодействия, переносчиком которого являются глюоны. В теории также допускается наличие внутри протона виртуальных (морских) кварков. Сильное взаимодействие кварков за пределами протонов и нейтронов превращается в ядерные силы, скрепляющие нуклоны в атомных ядрах.

Масса[править]

Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет:

(рекомендованные значения CODATA 2010 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение).

В стандартной модели масса трёх токовых кварков, образующих протон, составляет около 1 % массы протона. Считается, что остальная масса протона возникает за счёт кинетической энергии движения этих кварков и массы-энергии глюонного поля.[3]

В квантовой хромодинамике масса протона вычисляется наиболее точно с помощь методики, называемой КХД на решётке или решёточной КХД. [4]

Радиус[править]

В первом приближении распределение заряда внутри протона может быть описано экспоненциальной функцией. [5]

Зарядовый радиус протона по данным CODATA составляет 0,8775(51) фм. [2] К известным способам оценки радиуса протона относятся эксперименты по рассеянию электронов, фотонов и нуклонов на протонной мишени, [6] и эксперименты с системой из протона и отрицательного мюона. [7] В зависимости от типа эксперимента и способа обработки результатов, получаются несколько отличающиеся величины радиуса, требующие дополнительного объяснения.

Стабильность[править]

Протон считается стабильной частицей, так как распад свободного протона никогда не наблюдался. Некоторые Теории Великого объединения в физике элементарных частиц предсказывают распад протона с временем его жизни порядка 1036 лет. С целью определения времени жизни протона проводились различные эксперименты в отношении возможных его распадов на разные частицы.

Нижнее ограничение на время жизни протона — 2,1×1029 лет независимо от канала распада, было получено в нейтринной лаборатории в Канаде (Sudbury Neutrino Observatory). [8] В эксперименте изучалось гамма-излучение, которое могло появиться при распаде протона в составе ядра кислорода-16.

Время жизни 6,6×1033 лет для распада протона на антимюон и нейтральный пион, и 8,2×1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион дали эксперименты на детекторе в Super-Kamiokande, Япония. [9]

Несмотря на свою стабильность, протон может превратиться в нейтрон в таком процессе, как электронный захват (или обратный бета-распад). Уравнение реакции подразумевает излучение электронного нейтрино: $$~p^+ + e^- \rightarrow n + \nu_e .$$

В обратной реакции бета-распада свободный нейтрон самопроизвольно, с периодом порядка 15 минут, распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино.

Химические свойства[править]

Зарядовое число[править]

Протоны (вместе с нейтронами) являются основными составляющими атомных ядер. Порядковый номер химического элемента в периодической таблице определяется зарядом ядра его атомов, который, в свою очередь, равен количеству протонов в ядре (протонному числу). В нейтральном атоме количество отрицательно заряженных электронов в электронной оболочке атома и количество положительно заряженных протонов в ядре атома одинаково и суммарный заряд атома равен нулю. Химические свойства атомов зависят от количества имеющихся у них электронов, поэтому можно считать, что зарядовое число характеризует и химические свойства.

Кроме зарядового числа, у атомов в ядре имеется некоторое число нейтронов. В зависимости от числа нейтронов, ядра с одним и тем же зарядовым числом принадлежат тому или иному изотопу химического элемента.

Ион водорода[править]

Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле является ядром атома водорода (точнее, его лёгкого изотопа — протия) без электрона. В физике протон обозначается буквой p (или p+). Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) — H+, астрофизическое — HII.

Свободный протон является химически активным реагентом и потому имеет малое время жизни в химических системах, где быстро захватывает электронное облако у какой-нибудь молекулы. В водных растворах водород образует гидроксоний, h4O+, который затем может войти в более сложные катионы с молекулами воды, например в [H5O2]+ и [H9O4]+.[10]

В протонной теории Брёнстеда — Лоури кислоты являются донорами протонов, а основания – акцепторами протонов. В химической реакции, сопровождающейся переносом протона, всегда имеется и кислота и основание. В биохимии используется термин протонный насос, обычно для обозначения мембранного белкового аппарата, служащего для переноса гидроксония через мембраны клеток и митохондрий.

Ионы тяжёлого водорода, дейтерия и трития, лишённые электронов, называются дейтрон и тритон, соответственно.

Протонный магнитный резонанс[править]

В химии связанные в молекулах протоны могут быть обнаружены и исследованы с помощью протонного магнитного резонанса. В этом методе используется эффект переворота спина протонов под действием радиоизлучения соответствующей частоты.

В 1815 году Уильям Праут предположил, что все атомы состоят из атомов водорода, основываясь на том, что относительная атомная масса химических элементов приблизительно пропорциональна целым числам. Более точные измерения показали, что гипотеза Праута неверна. В 1886 году Eugen Goldstein открыл анодные (каналовые) лучи и показал, что они являются потоком положительно заряженных ионов, образующихся в газе. Отношение массы к заряду ионов у разных газов оказалось различным, достигая минимума у водородных ионов. В 1896 в катодных лучах был открыт отрицательно заряженный электрон.

После открытия Резерфордом атомных ядер в 1911 году, Антониус ван ден Брук предположил, что атомный номер химического элемента, задающий положение элемента в периодической таблице, равен заряду ядра. Генри Мозли подтвердил это экспериментально в 1913 году с помощью рентгеноспектрального анализа.

Открытие протона относится к 1917 году, когда Резерфорд своими экспериментами доказал, что ядро водорода присутствует также в других атомах. [11] До этого Резерфорд обнаружил ядра водорода с помощью сцинтилляционных счётчиков в водородном газе, после облучения газа альфа-частицами. Облучение альфа-частицами воздуха и азота также производило ядра водорода. При столкновении альфа-частицы с ядром азота возникает кислород-17 и вылетает протон, ядерная реакция записывается следующим образом: 14N + α → 17O + p.

Открытия Резерфорда показали, что не весь атом водорода, как это предполагал Праут, а только ядро водорода, является наименьшей и универсальной частицей, входящей в состав каждого ядра. Резерфорд выбрал для наименования ядра водорода два названия – протон, основываясь на греческом слове πρῶτον, то есть первый, и prouton, в честь Праута. [12] В 1920 году Британская ассоциация развития науки остановила свой выбор на слове протон, учитывая также название protyle, которое дал Праут водородному атому как универсальному объекту для всех атомов в своей гипотезе.

Действие протонного излучения[править]

Комплект научных инструментов для исследования лунной поверхности по программе «Аполлон» ALSEP определил, что более 95 % частиц в солнечном ветре представляют собой поровну протоны и электроны. [13][14]

Поскольку спектрометр солнечного ветра делает непрерывные измерения, стало возможным измерить, как магнитное поле Земли действует на прилетающие частицы солнечного ветра. Приблизительно две трети своей орбиты Луна проходит за пределами основного магнитного поля Земли. При этом концентрация протонов колеблется от 10 до 20 штук в кубическом сантиметре, а скорости протонов лежат в интервале 400 – 600 км/с. В течение 5 дней Луна находится в геомагнитном поясе нашей планеты, где обычно частицы солнечного ветра отсутствуют. В остальное время Луна находится в промежуточном поясе, в магнитной оболочке, где магнитное поле Земли заметно действует на солнечный ветер. Здесь скорости протонов уменьшаются до 250 – 450 км/с, поток протонов снижается. Когда на Луне ночь, спектрометр закрывается от солнечного ветра Луной и протоны не регистрируются. [13]

Основными источниками солнечных протонов являются корональные выбросы массы. Протоны возникают также в других звёздах и видны в составе галактических космических лучей, где их доля достигает 90 %. Эти протоны могут иметь очень большие энергии по сравнению с солнечными протонами, а их поток заметно более однородный и изотропный.

В потоках протонов космические корабли приобретают положительный заряд.[15]

Протоны могут оказывать негативное действие на здоровье людей, особенно в космосе. [14][16]

Проводимые исследования нацелены на определение того, какие хромосомы могут повреждаться потоками протонов, приводя к раковым заболеваниям. [14] Изучаются также нейрохимические и поведенческие нарушения, включая функции гормона дофамина, действие амфетамина, память и пространственную ориентацию. [16] Разрабатываются методы защиты от солнечных вспышек и галактических космических лучей. В космическом полёте Спейс Шаттла «Колумбия» по программе STS-65 и в аналогичных советских программах проводились различные медико-биологические исследования, включая влияние излучения протонов и тяжёлых ионов на микроорганизмы. [17]

CPT-инвариантность связывает между собой частицы и античастицы, так что свойства антипротона могут быть определены через свойства протона. Сумма зарядов протона и антипротона должна равняться нулю, что было проверено с точностью 1 к 108, и с такой же точностью получено равенство их масс. Ловушка Пеннинга позволяет улучшить результат для отношения масс до точности 1 к 6 •109. [18]

Магнитный момент антипротона равен магнитному моменту протона с точностью 8 •10–3ядерного магнетона, и противоположен по направлению.

Субстанциональная модель[править]

В теории бесконечной вложенности материи предполагается, что на уровне атомов и частиц действует сильная гравитация, удерживающая вещество элементарных частиц от распада, соединяющая нуклоны в ядрах и участвующая в образовании связей электронов с ядрами атомов. Рассматривается также модель кварковых квазичастиц, согласно которой кварки являются не настоящими частицами, а квазичастицами, пригодными лишь для описания свойств симметрии элементарных частиц. Отсюда следуют гравитационная модель сильного взаимодействия и субстанциональная модель протона. При известной величине постоянной сильной гравитации становится возможным вычислить радиус протона \(~ R_p =8,73\cdot 10^{-16}\) м. [19] и объяснить квантовый спин протона на основе равенства полного потока энергии гравитационного поля и потока кинетической энергии вращающегося вещества протона. [20]

Интересные факты[править]

  • Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 672 45(75) [2], с точностью до 0,002% равно значению \(6 \pi^5= 1836,118~108~711...\)
  • Ультрарелятивистские протоны (как и любые другие адроны, а также атомные ядра) для неподвижного наблюдателя имеют форму двояковогнутой линзы [21].
  • Все известные свойства протона систематически изложены в публикации Particle Data Group. [2](англ.)
  1. ↑ Yao W.-M. et al., (Particle Data Group), Physics Letters, Vol. B667, P. 1 (2008) and 2009 partial update for the 2010 edition. [1]
  2. ↑ а б в г д е P.J. Mohr, B.N. Taylor, and D.B. Newell (2011), "The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants" (Web Version 6.0). This database was developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova. Available: http://physics.nist.gov/constants [Thursday, 02-Jun-2011 21:00:12 EDT]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.
  3. ↑ Quarks and Nuclei. — World Scientific, 1984. — С. 65–66. — ISBN 9971-966-61-1>
  4. ↑ S. Dürr, Z. Fodor, J. Frison, C. Hoelbling, R. Hoffmann, S. D. Katz, S. Krieg, T. Kurth, L. Lellouch, T. Lippert, K. K. Szabo, and G. Vulvert (21 November 2008). "Ab Initio Determination of Light Hadron Masses". Science 322 (5905): 1224–7. DOI:10.1126/science.1163233. PMID 19023076.
  5. ↑ Fundamentals in Nuclear Physics. — Springer, 2005. — ISBN 0-387-01672-4>
  6. ↑ Ingo Sick. On the rms-radius of the proton. Phys.Lett.B576:62-67,2003.
  7. ↑ Randolf Pohl at all. The size of the proton. Nature, 2010, Vol. 466, P. 213–216.
  8. ↑ S.N. Ahmed et al. (SNO Collaboration) (2004). "Constraints on nucleon decay via invisible modes from the Sudbury Neutrino Observatory". Physical Review Letters 92 (10). DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID 15089201.
  9. ↑ H. Nishino et al (Kamiokande collaboration) (2009). Search for Proton Decay via p → e + π0 and p → μ + π0 in a Large Water Cherenkov Detector. Physical Review Letters 102 (14): 141801. doi: 10.1103/PhysRevLett.102.141801.
  10. ↑ Headrick, J.M.; Diken, E.G.; Walters, R. S.; Hammer, N. I.; Christie, R.A. ; Cui, J.; Myshakin, E.M.; Duncan, M.A.; Johnson, M.A.; Jordan, K.D. (2005). "Spectral Signatures of Hydrated Proton Vibrations in Water Clusters". Science 308 (5729): 1765–69. DOI:10.1126/science.1113094. PMID 15961665.
  11. ↑ R.H. Petrucci, W.S. Harwood, and F.G. Herring. General Chemistry. 8th edition. page 41. (2002).
  12. ↑ Romer A (1997). "Proton or prouton? Rutherford and the depths of the atom". Amer. J. Phys. 65 (8). DOI:10.1119/1.18640.
  13. ↑ а б "Apollo 11 Mission". Lunar and Planetary Institute. 2009. Retrieved 2009-06-12. 
  14. ↑ а б в "Space Travel and Cancer Linked? Stony Brook Researcher Secures NASA Grant to Study Effects of Space Radiation". Brookhaven National Laboratory. 12 December 2007. Retrieved 2009-06-12. 
  15. ↑ N.W. Green and A.R. Frederickson. "A Study of Spacecraft Charging due to Exposure to Interplanetary Protons" (PDF). Jet Propulsion Laboratory. Retrieved 2009-06-12. 
  16. ↑ а б B. Shukitt-Hale, A. Szprengiel, J. Pluhar, B.M. Rabin, and J.A. Joseph. "The effects of proton exposure on neurochemistry and behavior". Elsevier/COSPAR. Retrieved 2009-06-12. 
  17. ↑ Space and life: an introduction to space biology and medicine. — CRC Press, 2004. — С. 135–138. — ISBN 0-415-31759-2>
  18. ↑ G. Gabrielse (2006). "Antiproton mass measurements". International Journal of Mass Spectrometry 251 (2–3): 273–280. DOI:10.1016/j.ijms.2006.02.013.
  19. ↑ Fedosin S.G. The radius of the proton in the self-consistent model. Hadronic Journal, 2012, Vol. 35, No. 4, P. 349 – 363; статья на русском языке: Радиус протона в самосогласованной модели.
  20. ↑ Комментарии к книге: Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0
  21. ↑ Иванов И. «Какую форму имеет быстро летящий протон?» = B. Blok, L. Frankfurt, M. Strikman. On the shape of a rapid hadron in QCD.

Внешние ссылки[править]

traditio.wiki

Протон

Протон (от греч. πρώτον - Первый) - единственная стабильная частица с положительным зарядом + Е.

Раньше считали, что протоны, как электроны - элементарные частицы, не имеющие внутренней структуры. Однако современные исследования показывают, что протон является сложной системой, а его составные частицы, кварки, имеющие уникальные характеристики.

Протон - фермионов с спином 1/2. Его изотопический спин тоже равен 1/2, поскольку протон составляет изотопический дублет с нейтроном. Масса протона составляет 1,00727663 а.е.м. или 938,2723 М эВ. Кроме электрического заряда протон имеет также магнитный момент, равный 2,792847351 (28) ядерного магнетона.

Античастицей для протона есть антипротон, характеристики которого похожи на протон за исключением отрицательного заряда.

Протоны принимают участие во всех типах взаеомодии: сильной, электромагнитной, слабой и гравитационной.

1. История

В 1919 году Эрнест Резерфорд, облучая альфа-частицами газ азота, обнаружил в нем определенное количество атомов водорода. Это была первая искусственно вызванная ядерная реакция. Учитывая, что водород имеет атомную массу 1, Резерфорд пришел к выводу, что его ядро ​​является элементарной частицей, которая входит в состав других частиц.

Однако идею о том, что другие химические элементы состоят из водорода, высказывал еще в 1815 - 1816 годах в серии статей Уильям Праут, исходя из того, что химические вещества вступают в реакции в пропорциях, которые выражаются малыми целыми числами. Его гипотезу отвергли, когда точные измерения атомных масс химических элементов дали значение, несколько отличные от целых чисел.

Антипротон был открыт в лаборатории университета Беркли в 1955 году. По его открытия Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен получили Нобелевскую премию по физике 1959.

2. Время жизни

Вопрос о стабильности протона вместе с вопросом о стабильности электрона являются краеугольными камнями, на которых построены современные представления о строении Вселенной. Сейчас нижняя граница времени жизни протона по распада экспериментально подтверждена на уровне 10 33 лет.

3. Протоны в составе атомных ядер

Протон является ядром атома водорода. В состав других атомов протоны входят вместе с нейтронами, удерживаясь в составе ядра сильным взаимодействием. Вместе протоны и нейтроны называют нуклонами, т.е. составными частями ядра. Количество протонов в ядре атома определяет его зарядовое число Z.

4. Взаимодействие с веществом

Протоны часто используются для изучения свойств ядер атомов, инициирования ядерных реакций, исследований в физике элементарных частиц. Для постановки экспериментов протонам оказывают большую энергию в ускорителях заряженных частиц. Современные ускорители могут оказать протонам энергию до 1 тераэлектронвольта, например, синхротрон Тэватрон в Батавии, США.

Проникая в вещество, протоны как заряженные частицы в основном теряют энергию на ионизацию вещества. Скорость потери энергии можно рассчитать формуле Бете-Блоха. Ионизационные потери больше при меньших энергий, поэтому протоны теряют энергию и создают наибольшее количество радиационных дефектов конце своего пробега в веществе. Большие потери обусловливают незначительную длину пробега. Остановившись в веществе, протон превращается в обычный атом водорода.

5. Употребление термина протон в химии

В химии протоном называют положительный ион водорода H +. Однако в растворах ион водорода никогда не бывает полностью свободен от взаимодействия с электронами, поэтому протон в химическом смысле отличается от протонов, входящих в состав ядра атома.

nado.znate.ru