ПРОТО́Н
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ПРОТО́Н (от греч. πρῶτος – первый; символ р), стабильная элементарная частица (верхняя граница времени жизни П. 2,1·1029 лет); ядро атома самого лёгкого изотопа водорода (H+). Вместе с нейтронами П. образуют ядра всех атомов тяжелее водорода; число П. в ядре равно атомному номеру данного химич. элемента и, т. о., определяет его место в периодич. системе химич. элементов. Масса mр=1,672621777(74)·10–24 г≈1836mе, где mе – масса электрона; в энергетич. единицах mp≈938,3 МэВ. Электрич. заряд П. положителен и по абсолютной величине равен заряду электрона: e=1,602176565·10–19 Кл. Спин П. равен 1/2, поэтому П. подчиняются Ферми – Дирака статистике. Магнитный момент П. μp=2,792847356(23)μя, где μя – ядерный магнетон. Среднеквадратичный радиус П. составляет 0,8 фм. У П. существует античастица – антипротон. П. участвует во всех фундам. взаимодействиях: сильном (является адроном), электромагнитном, слабом и гравитационном. В классе адронов П. относится к подклассу барионов и имеет сохраняющийся барионный заряд +1. В сильном взаимодействии П. и нейтрон проявляют одинаковые свойства и рассматриваются как два состояния одной частицы – нуклона, различающиеся проекциями изотопического спина.
Представление о П. возникло в результате построения планетарной модели атома (Э. Резерфорд, 1911), открытия изотопов (Ф. Содди, Дж. Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906–19), атомные массы которых оказались кратными атомной массе водорода, и эксперим. наблюдения ядер водорода, выбитых α-частицами из ядер др. элементов (Резерфорд, 1919–20). Термин «П.» ввёл Резерфорд в нач. 1920-х гг.
В рамках утвердившейся к нач. 2000-х гг. стандартной модели П. состоит из трёх кварков, удерживаемых за счёт обмена глюонами. Ок. 99% массы П. обусловлено энергией движения и взаимодействия кварков и глюонов. Силы, связывающие нуклоны в атомных ядрах, и др. низкоэнергетич. процессы объясняются в осн. обменом виртуальным π-мезоном между нуклонами. Теоретич. основой для описания свойств П. в сильных взаимодействиях является квантовая хромодинамика.
Электромагнитные свойства П. неразрывно связаны с наличием вокруг него облака виртуальных адронов. Именно взаимодействием γ-кванта с виртуальными π-мезонами качественно объясняется большое отличие магнитного момента П. от ядерного магнетона. Экспериментами по рассеянию электронов и γ-квантов на П. установлены пространственные распределения электрич. заряда и магнитного момента П. – его формфактор (Р. Хофстедтер и др., 1957) и измерены его электрич. и магнитная поляризуемости (В. И. Гольданский и др., 1960).
Примерами слабого взаимодействия с участием П. являются внутриядерные превращения П. в нейтрон и наоборот, проявляющиеся в виде бета-распада ядер и электронного захвата.
В свободном состоянии П. наблюдаются в космич. лучах (ок. 90% их состава) и при протонной радиоактивности некоторых ядер.
Ввиду стабильности П., наличия у него электрич. заряда и относит. простоты получения (ионизацией атомов водорода) пучки ускоренных П. являются одним из осн. инструментов эксперим. физики элементарных частиц. Ускоренные П. используются для изучения рассеяния самих П., а также для получения пучков частиц: π- и K-мезонов, антипротонов, мюонов. На основе пучков ускоренных П. успешно развивается протонная терапия в медицине.
П. участвуют в термоядерных реакциях, являющихся осн. источником энергии звёзд. Важное значение имеет участие П. во многих химич. реакциях (см., напр., Протолитические реакции, Протонирование), а также в кислотно-оснóвном взаимодействии (см. Кислоты и основания).