Chemische Protonenformel. Proton (Elementarteilchen)

Protonen nehmen an thermonuklearen Reaktionen teil, die die Hauptenergiequelle von Sternen darstellen. Insbesondere Reaktionen S-Zyklus, der die Quelle fast der gesamten von der Sonne emittierten Energie ist, beruht auf der Vereinigung von vier Protonen zu einem Helium-4-Kern mit der Umwandlung von zwei Protonen in Neutronen.

In der Physik wird Proton bezeichnet P(oder P+ ). Die chemische Bezeichnung des Protons (als positives Wasserstoffion betrachtet) ist H +, die astrophysikalische Bezeichnung ist HII.

Öffnung [ | ]

Protoneneigenschaften[ | ]

Das Verhältnis der Protonen- und Elektronenmassen beträgt 1836,152 673 89(17) und entspricht mit einer Genauigkeit von 0,002 % dem Wert 6π 5 = 1836,118...

Die innere Struktur des Protons wurde erstmals von R. Hofstadter experimentell untersucht, indem er Kollisionen eines Strahls hochenergetischer Elektronen (2 GeV) mit Protonen untersuchte ( Nobelpreis in Physik 1961). Ein Proton besteht aus einem schweren Kern (Kern) mit einem Radius von cm, mit hoher Massen- und Ladungsdichte, tragend ≈ 35 % (\displaystyle \ca. 35\%) elektrische Ladung des Protons und der relativ dünnen Hülle, die es umgibt. In einiger Entfernung von ≈ 0, 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \ca. 0,25\cdot 10^(-13)) Vor ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \ approx 1.4\cdot 10^(-13)) cm Diese Schale besteht hauptsächlich aus virtuellen ρ- und π-Mesonen, die tragen ≈ 50 % (\displaystyle \ca. 50\%) elektrische Ladung des Protons, dann auf die Entfernung ≈ 2, 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \ approx 2.5\cdot 10^(-13)) cm erweitert eine Hülle aus virtuellen ω- und π-Mesonen, die etwa 15 % der elektrischen Ladung des Protons tragen.

Der Druck im Zentrum des von Quarks erzeugten Protons beträgt etwa 10 35 Pa (10 30 Atmosphären) und ist damit höher als der Druck im Inneren Neutronensterne.

Das magnetische Moment eines Protons wird durch Messung des Verhältnisses der resonanten Präzessionsfrequenz gemessen magnetisches Moment Proton in einem gegebenen gleichmäßigen Magnetfeld und die Zyklotronumdrehungsfrequenz des Protons auf einer Kreisbahn im gleichen Feld.

Mit einem Proton sind drei physikalische Größen verbunden, die die Dimension Länge haben:

Messungen des Protonenradius mit gewöhnlichen Wasserstoffatomen, die seit den 1960er Jahren mit verschiedenen Methoden durchgeführt wurden, führten (CODATA -2014) zu dem Ergebnis 0,8751 ± 0,0061 Femtometer(1 fm = 10 −15 m). Die ersten Experimente mit myonischen Wasserstoffatomen (bei denen das Elektron durch ein Myon ersetzt wird) ergaben für diesen Radius ein um 4 % kleineres Ergebnis: 0,84184 ± 0,00067 fm. Die Gründe für diesen Unterschied sind noch unklar.

Das sogenannte Proton Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, was seine Teilnahme an schwachen Wechselwirkungen durch Austausch bestimmt Z 0-Boson (ähnlich wie die elektrische Ladung eines Teilchens seine Teilnahme an elektromagnetischen Wechselwirkungen durch Photonenaustausch bestimmt) beträgt 0,0719 ± 0,0045 experimentelle Messungen Paritätsverletzung bei der Streuung polarisierter Elektronen an Protonen. Der gemessene Wert stimmt innerhalb des experimentellen Fehlers mit den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells überein (0,0708 ± 0,0003).

Stabilität [ | ]

Ein freies Proton ist stabil, Experimentelle Studien zeigte keine Anzeichen seines Zerfalls (die untere Grenze der Lebensdauer beträgt unabhängig vom Zerfallskanal 2,9⋅10 29 Jahre, 8,2⋅10 33 Jahre für den Zerfall in ein Positron und neutrales Pion, 6,6⋅10 33 Jahre für den Zerfall in ein positives Myon und neutrales Pion). Da das Proton das leichteste Baryon ist, ist die Stabilität des Protons eine Folge des Gesetzes der Erhaltung der Baryonenzahl – ein Proton kann nicht in leichtere Teilchen (zum Beispiel in ein Positron und ein Neutrino) zerfallen, ohne dieses Gesetz zu verletzen. Viele theoretische Erweiterungen des Standardmodells sagen jedoch (noch nicht beobachtete) Prozesse voraus, die zu einer Nichterhaltung der Baryonenzahl und damit zum Protonenzerfall führen würden.

Ein in einem Atomkern gebundenes Proton ist in der Lage, ein Elektron aus der Elektronen-K-, L- oder M-Schale des Atoms einzufangen (sog. „Elektroneneinfang“). Ein Proton des Atomkerns verwandelt sich, nachdem es ein Elektron aufgenommen hat, in ein Neutron und emittiert gleichzeitig ein Neutrino: p+e − →+ν e . Ein durch Elektroneneinfang gebildetes „Loch“ in der K-, L- oder M-Schicht wird mit einem Elektron aus einer der darüber liegenden Elektronenschichten des Atoms gefüllt und emittiert charakteristische Röntgenstrahlen, die der Ordnungszahl entsprechen Z− 1 und/oder Auger-Elektronen. Über 1000 Isotope von 7 sind bekannt
4 bis 262
105, zerfällt durch Elektroneneinfang. Bei ausreichend hohen verfügbaren Zerfallsenergien (oben 2m e c 2 ≈ 1,022 MeV) öffnet sich ein konkurrierender Zerfallskanal – der Positronenzerfall p → +e ++ν e . Es sollte betont werden, dass diese Prozesse nur für ein Proton in einigen Kernen möglich sind, wo die fehlende Energie durch den Übergang des resultierenden Neutrons in eine niedrigere Kernhülle wieder aufgefüllt wird; für ein freies Proton sind sie durch das Energieerhaltungsgesetz verboten.

Die Protonenquelle in der Chemie sind Mineralsäuren (Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und andere) und organische Säuren (Ameisensäure, Essigsäure, Oxalsäure und andere). IN wässrige Lösung Säuren können unter Abspaltung eines Protons dissoziieren und ein Hydroniumkation bilden.

In der Gasphase werden Protonen durch Ionisierung gewonnen – die Entfernung eines Elektrons aus einem Wasserstoffatom. Das Ionisierungspotential eines nicht angeregten Wasserstoffatoms beträgt 13,595 eV. Wenn molekularer Wasserstoff durch schnelle Elektronen ionisiert wird Luftdruck und Raumtemperatur entsteht zunächst ein molekulares Wasserstoffion (H 2 +) - physikalisches System, bestehend aus zwei Protonen, die im Abstand von 1,06 durch ein Elektron zusammengehalten werden. Die Stabilität eines solchen Systems wird laut Pauling durch die Resonanz eines Elektrons zwischen zwei Protonen mit einer „Resonanzfrequenz“ von 7·10 14 s −1 verursacht. Wenn die Temperatur auf mehrere tausend Grad ansteigt, ändert sich die Zusammensetzung der Wasserstoffionisierungsprodukte zugunsten von Protonen – H +.

Anwendung [ | ]

Strahlen beschleunigter Protonen werden in der experimentellen Physik von Elementarteilchen (Untersuchung von Streuprozessen und Erzeugung von Strahlen anderer Teilchen) und in der Medizin (Protonentherapie bei Krebs) eingesetzt.

siehe auch [ | ]

Anmerkungen [ | ]

http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Grundlegende physikalische Konstanten --- Vollständige Auflistung
CODATA-Wert: Protonenmasse
CODATA-Wert: Protonenmasse in u
Ahmed S.; et al. (2004). „Einschränkungen des Nukleonenzerfalls über unsichtbare Moden vom Sudbury Neutrino Observatory.“ Briefe zur körperlichen Untersuchung. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
CODATA-Wert: Protonenmassenenergieäquivalent in MeV
CODATA-Wert: Protonen-Elektronen-Massenverhältnis
, Mit. 67.
Hofstadter P. Struktur von Kernen und Nukleonen // Phys. - 1963. - T. 81, Nr. 1. - S. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
Schtschelkin K. I. Virtuelle Prozesse und die Struktur des Nukleons // Physik der Mikrowelt - M.: Atomizdat, 1965. - S. 75.
Elastische Streuung, periphere Wechselwirkungen und Resonanzen // Hochenergetische Teilchen. Hohe Energien im Weltraum und in Laboratorien – M.: Nauka, 1965. – S. 132.

Wasserstoff, ein Element mit der einfachsten Struktur. Es hat eine positive Ladung und eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer. Es ist das stabilste Teilchen im Universum. Die beim Urknall entstandenen Protonen sind noch nicht zerfallen. Die Protonenmasse beträgt 1,627*10-27 kg oder 938,272 eV. Häufiger wird dieser Wert in Elektronenvolt ausgedrückt.

Das Proton wurde vom „Vater“ der Kernphysik, Ernest Rutherford, entdeckt. Er stellte die Hypothese auf, dass die Kerne aller Atome chemische Elemente bestehen aus Protonen, da ihre Masse die des Kerns eines Wasserstoffatoms um ein ganzzahliges Vielfaches übersteigt. Rutherford-Satz interessante Erfahrung. Zu diesem Zeitpunkt war die natürliche Radioaktivität einiger Elemente bereits entdeckt worden. Mithilfe von Alphastrahlung (Alphateilchen sind hochenergetische Heliumkerne) bestrahlte der Wissenschaftler Stickstoffatome. Als Ergebnis dieser Wechselwirkung flog ein Teilchen heraus. Rutherford vermutete, dass es sich um ein Proton handelte. Weitere Experimente in einer Wilson-Blasenkammer bestätigten seine Annahme. So wurde 1913 ein neues Teilchen entdeckt, doch Rutherfords Hypothese über die Zusammensetzung des Kerns erwies sich als unhaltbar.

Entdeckung des Neutrons

Der große Wissenschaftler entdeckte einen Fehler in seinen Berechnungen und stellte eine Hypothese über die Existenz eines anderen Teilchens auf, das Teil des Kerns ist und fast die gleiche Masse wie ein Proton hat. Experimentell konnte er es nicht feststellen.

Dies wurde 1932 vom englischen Wissenschaftler James Chadwick durchgeführt. Er führte ein Experiment durch, bei dem er Berylliumatome mit hochenergetischen Alphateilchen beschoss. Ergebend Kernreaktion Aus dem Berylliumkern flog ein Teilchen, später Neutron genannt. Für seine Entdeckung erhielt Chadwick drei Jahre später den Nobelpreis.

Die Masse eines Neutrons unterscheidet sich eigentlich kaum von der Masse eines Protons (1,622 * 10-27 kg), aber dieses Teilchen hat keine Ladung. In diesem Sinne ist es neutral und gleichzeitig in der Lage, schwere Kerne zu spalten. Aufgrund der fehlenden Ladung kann ein Neutron die hohe Coulomb-Potentialbarriere leicht passieren und in die Struktur des Kerns eindringen.

Das Proton und das Neutron haben Quanteneigenschaften (sie können die Eigenschaften von Teilchen und Wellen aufweisen). Neutronenstrahlung wird für medizinische Zwecke eingesetzt. Durch die hohe Durchdringungsfähigkeit kann diese Strahlung tiefsitzende Tumore und andere bösartige Gebilde ionisieren und erkennen. In diesem Fall ist die Teilchenenergie relativ gering.

Das Neutron ist im Gegensatz zum Proton ein instabiles Teilchen. Seine Lebensdauer beträgt etwa 900 Sekunden. Es zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Neutrino.

, elektromagnetisch und gravitativ

In der Physik wird Proton bezeichnet P(oder P+ ). Die chemische Bezeichnung des Protons (als positives Wasserstoffion betrachtet) ist H +, die astrophysikalische Bezeichnung ist HII.

Öffnung

Protoneneigenschaften

Das Verhältnis der Protonen- und Elektronenmassen beträgt 1836,152 673 89(17) und entspricht mit einer Genauigkeit von 0,002 % dem Wert 6π 5 = 1836,118...

Die innere Struktur des Protons wurde erstmals von R. Hofstadter experimentell untersucht, indem er Kollisionen eines Strahls hochenergetischer Elektronen (2 GeV) mit Protonen untersuchte (Nobelpreis für Physik 1961). Ein Proton besteht aus einem schweren Kern (Kern) mit einem Radius von cm, mit hoher Massen- und Ladungsdichte, tragend ≈ 35 % (\displaystyle \ca. 35\,\%) elektrische Ladung des Protons und der relativ dünnen Hülle, die es umgibt. In einiger Entfernung von ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \ approx 0(,)25\cdot 10^(-13)) Vor ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \ approx 1(,)4\cdot 10^(-13)) cm Diese Schale besteht hauptsächlich aus virtuellen ρ- und π-Mesonen, die tragen ≈ 50 % (\displaystyle \ca. 50\,\%) elektrische Ladung des Protons, dann auf die Entfernung ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \ approx 2(,)5\cdot 10^(-13)) cm erweitert eine Hülle aus virtuellen ω- und π-Mesonen, die etwa 15 % der elektrischen Ladung des Protons tragen.

Der Druck im Zentrum des von Quarks erzeugten Protons beträgt etwa 10 35 Pa (10 30 Atmosphären) und ist damit höher als der Druck im Inneren von Neutronensternen.

Das magnetische Moment eines Protons wird gemessen, indem das Verhältnis der Resonanzfrequenz der Präzession des magnetischen Moments des Protons in einem gegebenen gleichmäßigen Magnetfeld und der Zyklotronfrequenz der kreisförmigen Umlaufbahn des Protons in demselben Feld gemessen wird.

Mit einem Proton sind drei physikalische Größen verbunden, die die Dimension Länge haben:

Die sogenannte schwache Ladung des Protons Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, was seine Teilnahme an schwachen Wechselwirkungen durch Austausch bestimmt Z 0-Boson (ähnlich wie die elektrische Ladung eines Teilchens seine Teilnahme an elektromagnetischen Wechselwirkungen durch den Austausch eines Photons bestimmt) beträgt 0,0719 ± 0,0045, gemäß experimentellen Messungen der Paritätsverletzung bei der Streuung polarisierter Elektronen an Protonen. Der gemessene Wert stimmt innerhalb des experimentellen Fehlers mit den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells überein (0,0708 ± 0,0003).

Stabilität

Das freie Proton ist stabil, experimentelle Studien haben keine Anzeichen seines Zerfalls ergeben (Untergrenze der Lebensdauer beträgt 2,9⋅10 29 Jahre unabhängig vom Zerfallskanal, 8,2⋅10 33 Jahre für den Zerfall in ein Positron und neutrales Pion, 6,6⋅ 10 33 Jahre für den Zerfall in ein positives Myon und ein neutrales Pion). Da das Proton das leichteste Baryon ist, ist die Stabilität des Protons eine Folge des Gesetzes der Erhaltung der Baryonenzahl – ein Proton kann nicht in leichtere Teilchen (zum Beispiel in ein Positron und ein Neutrino) zerfallen, ohne dieses Gesetz zu verletzen. Viele theoretische Erweiterungen des Standardmodells sagen jedoch (noch nicht beobachtete) Prozesse voraus, die zu einer Nichterhaltung der Baryonenzahl und damit zum Protonenzerfall führen würden.

Die Protonenquelle in der Chemie sind Mineralsäuren (Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und andere) und organische Säuren (Ameisensäure, Essigsäure, Oxalsäure und andere). In einer wässrigen Lösung können Säuren unter Abspaltung eines Protons dissoziieren und ein Hydroniumkation bilden.

In der Gasphase werden Protonen durch Ionisierung gewonnen – die Entfernung eines Elektrons aus einem Wasserstoffatom. Das Ionisierungspotential eines nicht angeregten Wasserstoffatoms beträgt 13,595 eV. Wenn molekularer Wasserstoff bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur durch schnelle Elektronen ionisiert wird, entsteht zunächst das molekulare Wasserstoffion (H 2 +) – ein physikalisches System bestehend aus zwei Protonen, die im Abstand von 1,06 durch ein Elektron zusammengehalten werden. Die Stabilität eines solchen Systems wird laut Pauling durch die Resonanz eines Elektrons zwischen zwei Protonen mit einer „Resonanzfrequenz“ von 7·10 14 s −1 verursacht. Wenn die Temperatur auf mehrere tausend Grad ansteigt, ändert sich die Zusammensetzung der Wasserstoffionisierungsprodukte zugunsten von Protonen – H +.

Anwendung

siehe auch

Anmerkungen

http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Grundlegende physikalische Konstanten --- Vollständige Auflistung
CODATA-Wert: Protonenmasse
CODATA-Wert: Protonenmasse in u
Ahmed S.; et al. (2004). „Einschränkungen des Nukleonenzerfalls über unsichtbare Moden vom Sudbury Neutrino Observatory.“ Briefe zur körperlichen Untersuchung. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
CODATA-Wert: Protonenmassenenergieäquivalent in MeV
CODATA-Wert: Protonen-Elektronen-Massenverhältnis
, Mit. 67.
Hofstadter P. Struktur von Kernen und Nukleonen // Phys. - 1963. - T. 81, Nr. 1. - S. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
Schtschelkin K. I. Virtuelle Prozesse und die Struktur des Nukleons // Physik der Mikrowelt - M.: Atomizdat, 1965. - S. 75.
Schdanow G. B. Elastische Streuung, periphere Wechselwirkungen und Resonanzen // Hochenergetische Teilchen. Hohe Energien im Weltraum und in Laboratorien – M.: Nauka, 1965. – S. 132.
Burkert V. D., Elouadrhiri L., Girod F. X. Die Druckverteilung im Proton // Natur. - 2018. - Mai (Bd. 557, Nr. 7705). - S. 396-399. - DOI:10.1038/s41586-018-0060-z.
Bethe, G., Morrison F. Elementare Theorie Kerne. - M: IL, 1956. - S. 48.

Durch das Studium der Struktur der Materie fanden Physiker heraus, woraus Atome bestehen, gelangten zum Atomkern und spalteten ihn in Protonen und Neutronen. Alle diese Schritte waren ganz einfach: Man musste die Teilchen nur auf die erforderliche Energie beschleunigen, sie gegeneinander drücken und dann zerfielen sie selbst in ihre Einzelteile.

Doch bei Protonen und Neutronen funktionierte dieser Trick nicht mehr. Obwohl sie es sind zusammengesetzte Partikel, sie können selbst bei der heftigsten Kollision nicht „in Stücke zerbrochen“ werden. Daher brauchten Physiker Jahrzehnte, um verschiedene Möglichkeiten zu finden, in das Innere des Protons zu blicken und seine Struktur und Form zu erkennen. Die Erforschung der Struktur des Protons ist heute eines der aktivsten Gebiete der Teilchenphysik.

Die Natur gibt Hinweise

Die Geschichte der Erforschung der Struktur von Protonen und Neutronen reicht bis in die 1930er Jahre zurück. Als neben Protonen auch Neutronen entdeckt wurden (1932), stellten die Physiker nach der Messung ihrer Masse überrascht fest, dass sie der Masse eines Protons sehr nahe kamen. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass Protonen und Neutronen die nukleare Wechselwirkung auf genau die gleiche Weise „spüren“. So identisch, dass aus der Sicht der Kernkräfte ein Proton und ein Neutron als zwei Erscheinungsformen desselben Teilchens – eines Nukleons – betrachtet werden können: Ein Proton ist ein elektrisch geladenes Nukleon und ein Neutron ist ein neutrales Nukleon. Protonen gegen Neutronen tauschen – und Nuklearkräfte(fast) nichts wird auffallen.

Physiker drücken diese Eigenschaft der Natur als Symmetrie aus – die Kernwechselwirkung ist symmetrisch in Bezug auf den Ersatz von Protonen durch Neutronen, genauso wie ein Schmetterling symmetrisch in Bezug auf den Ersatz von links durch rechts ist. Diese Symmetrie spielte nicht nur eine wichtige Rolle in der Kernphysik, sondern war auch der erste Hinweis darauf, dass Nukleonen eine interessante Funktion haben Interne Struktur. Allerdings erkannten die Physiker in den 30er Jahren diesen Hinweis nicht.

Das Verständnis kam erst später. Es begann damit, dass Wissenschaftler in den 1940er und 1950er Jahren bei den Reaktionen von Kollisionen von Protonen mit den Kernen verschiedener Elemente überrascht waren, immer mehr neue Teilchen zu entdecken. Keine Protonen, keine Neutronen, nicht die damals entdeckten Pi-Mesonen, die Nukleonen in Kernen halten, sondern einige völlig neue Teilchen. Bei aller Vielfalt hatten diese neuen Teilchen zwei allgemeine Eigenschaften. Erstens nahmen sie wie Nukleonen sehr gerne an nuklearen Wechselwirkungen teil – heute werden solche Teilchen Hadronen genannt. Und zweitens waren sie äußerst instabil. Die instabilsten von ihnen zerfielen in nur einer Billionstel Nanosekunde in andere Teilchen und hatten nicht einmal Zeit, die Größe eines Atomkerns zu erreichen!

Lange Zeit herrschte im Hadronen-Zoo ein völliges Durcheinander. Ende der 1950er Jahre hatten die Physiker bereits einiges gelernt verschiedene Typen Hadronen, begann sie miteinander zu vergleichen und erkannte plötzlich eine gewisse allgemeine Symmetrie, ja sogar Periodizität ihrer Eigenschaften. Es wurde vermutet, dass es in allen Hadronen (einschließlich Nukleonen) einige einfache Objekte gibt, die „Quarks“ genannt werden. Durch die Kombination von Quarks auf unterschiedliche Weise ist es möglich, verschiedene Hadronen zu erhalten, und zwar von genau demselben Typ und mit denselben Eigenschaften, die im Experiment entdeckt wurden.

Was macht ein Proton zu einem Proton?

Nachdem Physiker die Quarkstruktur von Hadronen entdeckten und erfuhren, dass es Quarks in verschiedenen Varianten gibt, wurde klar, dass aus Quarks viele verschiedene Teilchen aufgebaut werden können. Daher war niemand überrascht, als in nachfolgenden Experimenten weiterhin nacheinander neue Hadronen gefunden wurden. Doch unter all den Hadronen wurde eine ganze Familie von Teilchen entdeckt, die, genau wie das Proton, nur aus zwei besteht u-Quarks und eins D-Quark. Eine Art „Bruder“ des Protons. Und hier erlebten die Physiker eine Überraschung.

Machen wir zunächst eine einfache Beobachtung. Wenn wir mehrere Objekte haben, die aus den gleichen „Steinen“ bestehen, dann enthalten schwerere Objekte mehr „Steine“ und leichtere weniger. Dies ist ein sehr natürliches Prinzip, das als Kombinationsprinzip oder Überbauprinzip bezeichnet werden kann und in beiden Fällen perfekt funktioniert Alltagsleben, und in der Physik. Es erscheint sogar im Gerät Atomkerne- schließlich bestehen schwerere Kerne einfach aus mehr Protonen und Neutronen.

Auf der Ebene der Quarks funktioniert dieses Prinzip jedoch überhaupt nicht, und die Physiker haben zugegebenermaßen noch nicht vollständig herausgefunden, warum. Es stellt sich heraus, dass auch die schweren Brüder des Protons aus den gleichen Quarks wie das Proton bestehen, obwohl sie eineinhalb oder sogar zwei Mal schwerer sind als das Proton. Sie unterscheiden sich vom Proton (und voneinander) nicht Komposition, und gegenseitig Standort Quarks, durch den Zustand, in dem diese Quarks relativ zueinander sind. Es reicht aus, die relative Position der Quarks zu ändern – und aus dem Proton erhalten wir ein weiteres, deutlich schwereres Teilchen.

Was passiert, wenn man immer noch mehr als drei Quarks zusammen nimmt und sammelt? Wird ein neues schweres Teilchen entstehen? Überraschenderweise wird es nicht funktionieren – die Quarks werden in drei Teile zerfallen und sich in mehrere verstreute Teilchen verwandeln. Aus irgendeinem Grund „mag“ es die Natur nicht, viele Quarks zu einem Ganzen zu vereinen! Erst vor kurzem, im wahrsten Sinne des Wortes letzten Jahren, es gibt Hinweise darauf, dass es einige Multiquark-Teilchen gibt, aber das unterstreicht nur, wie sehr die Natur sie nicht mag.

Aus dieser Kombinatorik ergibt sich eine sehr wichtige und tiefgreifende Schlussfolgerung: Die Masse der Hadronen besteht überhaupt nicht aus der Masse der Quarks. Wenn aber die Masse eines Hadrons durch einfaches Zusammenfügen seiner Bausteine erhöht oder verringert werden kann, dann sind es nicht die Quarks selbst, die für die Masse der Hadronen verantwortlich sind. Und tatsächlich konnte in nachfolgenden Experimenten herausgefunden werden, dass die Masse der Quarks selbst nur etwa zwei Prozent der Masse des Protons beträgt und der Rest der Schwerkraft durch das Kraftfeld (spezielle Teilchen – Gluonen) entsteht Binden Sie die Quarks zusammen. Indem wir die relative Position der Quarks ändern, indem wir sie beispielsweise weiter voneinander entfernen, verändern wir dadurch die Gluonenwolke und machen sie massereicher, weshalb die Hadronenmasse zunimmt (Abb. 1).

Was passiert im Inneren eines sich schnell bewegenden Protons?

Alles, was oben beschrieben wurde, betrifft ein stationäres Proton; in der Sprache der Physiker ist dies die Struktur des Protons in seinem Ruhesystem. Im Experiment wurde die Struktur des Protons jedoch erstmals unter anderen Bedingungen entdeckt – im Inneren schnelles Fliegen Proton.

Ende der 1960er Jahre wurde bei Experimenten zu Teilchenkollisionen an Beschleunigern festgestellt, dass sich Protonen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, so verhielten, als ob die Energie in ihrem Inneren nicht gleichmäßig verteilt, sondern in einzelnen kompakten Objekten konzentriert wäre. Der berühmte Physiker Richard Feynman schlug vor, diese Materieklumpen im Inneren Protonen zu nennen Partons(aus dem Englischen Teil - Teil).

Nachfolgende Experimente untersuchten viele Eigenschaften von Partonen – zum Beispiel ihre elektrische Ladung, ihre Anzahl und den Anteil der Protonenenergie, die jedes Parton trägt. Es stellt sich heraus, dass geladene Partonen Quarks und neutrale Partonen Gluonen sind. Ja, dieselben Gluonen, die im Ruhesystem des Protons lediglich den Quarks „gedient“ und sie zueinander angezogen haben, sind jetzt unabhängige Partonen und tragen zusammen mit den Quarks die „Materie“ und Energie eines sich schnell bewegenden Protons. Experimente haben gezeigt, dass etwa die Hälfte der Energie in Quarks und die andere Hälfte in Gluonen gespeichert ist.

Partonen lassen sich am einfachsten bei Kollisionen von Protonen mit Elektronen untersuchen. Tatsache ist, dass ein Elektron im Gegensatz zu einem Proton nicht an starken Kernwechselwirkungen teilnimmt und seine Kollision mit einem Proton sehr einfach aussieht: Das Elektron ist sehr einfach eine kurze Zeit sendet ein virtuelles Photon aus, das auf ein geladenes Parton prallt und schließlich erzeugt große Nummer Partikel (Abb. 2). Man kann sagen, dass das Elektron ein hervorragendes Skalpell ist, um das Proton zu „öffnen“ und in einzelne Teile zu zerlegen – allerdings nur für sehr kurze Zeit. Wenn man weiß, wie oft solche Prozesse an einem Beschleuniger ablaufen, kann man die Anzahl der Partonen im Inneren eines Protons und ihre Ladungen messen.

Wer sind die Partons wirklich?

Und hier kommen wir zu einer weiteren erstaunlichen Entdeckung, die Physiker bei der Untersuchung von Kollisionen von Elementarteilchen bei hohen Energien gemacht haben.

Unter normalen Bedingungen hat die Frage, woraus dieses oder jenes Objekt besteht, eine universelle Antwort für alle Referenzsysteme. Ein Wassermolekül besteht beispielsweise aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom – und dabei spielt es keine Rolle, ob wir ein ruhendes oder ein bewegtes Molekül betrachten. Allerdings erscheint diese Regel so natürlich! - wird verletzt, wenn wir reden überüber Elementarteilchen, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. In einem Bezugssystem kann ein komplexes Teilchen aus einem Satz von Unterteilchen bestehen, in einem anderen Bezugssystem aus einem anderen. Es stellt sich heraus, dass Komposition ist ein relatives Konzept!

Wie kann das sein? Der Schlüssel hier ist eine Sache wichtige Eigenschaft: Die Anzahl der Teilchen in unserer Welt ist nicht festgelegt – Teilchen können entstehen und verschwinden. Wenn man beispielsweise zwei Elektronen mit ausreichend hoher Energie zusammenschiebt, kann zusätzlich zu diesen beiden Elektronen entweder ein Photon oder ein Elektron-Positron-Paar oder andere Teilchen entstehen. All dies ist durch die Quantengesetze erlaubt, und genau das geschieht in realen Experimenten.

Aber dieses „Gesetz der Nichterhaltung“ der Teilchen funktioniert bei Kollisionen Partikel. Wie kommt es, dass dasselbe Proton aus verschiedenen Blickwinkeln so aussieht, als bestünde es aus einem anderen Satz von Teilchen? Der Punkt ist, dass ein Proton nicht nur aus drei zusammengesetzten Quarks besteht. Zwischen den Quarks herrscht ein Gluonen-Kraftfeld. Im Allgemeinen ist ein Kraftfeld (z. B. ein Gravitations- oder elektrisches Feld) eine Art materielle „Einheit“, die den Raum durchdringt und es Teilchen ermöglicht, einen starken Einfluss aufeinander auszuüben. IN Quantentheorie Das Feld besteht ebenfalls aus Teilchen, wenn auch aus besonderen – virtuellen. Die Anzahl dieser Teilchen ist nicht festgelegt; sie „knospen“ ständig von Quarks ab und werden von anderen Quarks absorbiert.

Ausruhen Ein Proton kann man sich eigentlich als drei Quarks vorstellen, zwischen denen Gluonen springen. Aber wenn wir dasselbe Proton aus einem anderen Bezugssystem betrachten, als ob wir es aus dem Fenster eines vorbeifahrenden „relativistischen Zuges“ betrachten würden, werden wir ein völlig anderes Bild sehen. Diese virtuellen Gluonen, die die Quarks zusammenklebten, werden als weniger virtuelle, „realere“ Teilchen erscheinen. Sie werden natürlich immer noch von Quarks geboren und absorbiert, aber gleichzeitig leben sie einige Zeit alleine und fliegen wie echte Teilchen neben den Quarks. Was einfach aussieht Kraftfeld in einem Bezugssystem verwandelt sich in einem anderen Bezugssystem in einen Partikelstrom! Beachten Sie, dass wir das Proton selbst nicht berühren, sondern es nur aus einem anderen Bezugsrahmen betrachten.

Außerdem. Je näher die Geschwindigkeit unseres „relativistischen Zuges“ an der Lichtgeschwindigkeit liegt, desto erstaunlicher wird das Bild, das wir im Inneren des Protons sehen werden. Wenn wir uns der Lichtgeschwindigkeit nähern, werden wir feststellen, dass sich im Proton immer mehr Gluonen befinden. Darüber hinaus spalten sie sich manchmal in Quark-Antiquark-Paare auf, die ebenfalls in der Nähe fliegen und ebenfalls als Partonen gelten. Infolgedessen erscheint ein ultrarelativistisches Proton, d. h. ein Proton, das sich relativ zu uns mit einer Geschwindigkeit sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit bewegt, in Form sich durchdringender Wolken aus Quarks, Antiquarks und Gluonen, die zusammenfliegen und sich scheinbar gegenseitig unterstützen (Abb . 3).

Ein Leser, der mit der Relativitätstheorie vertraut ist, könnte besorgt sein. Die gesamte Physik basiert auf dem Prinzip, dass jeder Prozess in allen gleich abläuft Inertialsysteme Countdown. Aber es stellt sich heraus, dass die Zusammensetzung des Protons vom Bezugsrahmen abhängt, von dem aus wir es beobachten?!

Ja, genau, aber das verstößt in keiner Weise gegen das Relativitätsprinzip. Die Ergebnisse physikalischer Prozesse – beispielsweise welche Teilchen und wie viele bei einer Kollision entstehen – erweisen sich zwar als invariant, obwohl die Zusammensetzung des Protons vom Bezugssystem abhängt.

Diese auf den ersten Blick ungewöhnliche, aber allen physikalischen Gesetzen entsprechende Situation ist in Abbildung 4 schematisch dargestellt. Sie zeigt, wie die Kollision zweier Protonen mit hoher Energie in verschiedenen Bezugssystemen aussieht: im Ruhesystem eines Protons, in das Schwerpunktsystem, im Ruhesystem ein anderes Proton. Die Wechselwirkung zwischen Protonen erfolgt durch eine Kaskade spaltender Gluonen, aber nur in einem Fall wird diese Kaskade als das „Innere“ eines Protons betrachtet, in einem anderen Fall wird sie als Teil eines anderen Protons betrachtet und im dritten Fall ist sie einfach etwas Gegenstand, der zwischen zwei Protonen ausgetauscht wird. Diese Kaskade existiert, sie ist real, aber welchem Teil des Prozesses sie zuzuordnen ist, hängt vom Bezugsrahmen ab.

3D-Porträt eines Protons

Alle Ergebnisse, über die wir gerade gesprochen haben, basieren auf Experimenten, die vor langer Zeit durchgeführt wurden – in den 60er und 70er Jahren des letzten Jahrhunderts. Es scheint, als hätte seitdem alles untersucht werden müssen und alle Fragen hätten ihre Antworten finden müssen. Aber nein – die Struktur des Protons ist nach wie vor eines der interessantesten Themen der Teilchenphysik. Darüber hinaus ist das Interesse daran in den letzten Jahren wieder gestiegen, weil Physiker herausgefunden haben, wie man ein „dreidimensionales“ Porträt eines sich schnell bewegenden Protons erhält, was sich als viel schwieriger herausstellte als das Porträt eines stationären Protons.

Klassische Experimente zu Protonenkollisionen geben nur Auskunft über die Anzahl der Partonen und ihre Energieverteilung. An solchen Experimenten nehmen Partonen als eigenständige Objekte teil, was bedeutet, dass man aus ihnen nicht herausfinden kann, wie die Partonen relativ zueinander angeordnet sind oder wie genau sie sich zu einem Proton addieren. Wir können sagen, dass den Physikern lange Zeit nur ein „eindimensionales“ Porträt eines sich schnell bewegenden Protons zur Verfügung stand.

Um ein reales, dreidimensionales Porträt eines Protons zu erstellen und die Verteilung der Partonen im Raum herauszufinden, sind weitaus subtilere Experimente erforderlich, als sie vor 40 Jahren möglich waren. Physiker haben erst vor Kurzem gelernt, solche Experimente durchzuführen, im wahrsten Sinne des Wortes letztes Jahrzehnt. Sie erkannten das unter riesige Menge Unter den verschiedenen Reaktionen, die beim Zusammenstoß eines Elektrons mit einem Proton ablaufen, gibt es eine besondere Reaktion: tiefe virtuelle Compton-Streuung, - die uns etwas über die dreidimensionale Struktur des Protons verraten kann.

Im Allgemeinen ist Compton-Streuung oder Compton-Effekt der elastische Stoß eines Photons mit einem Teilchen, beispielsweise einem Proton. Es sieht so aus: Ein Photon kommt an, wird von einem Proton absorbiert, das für kurze Zeit in einen angeregten Zustand übergeht, dann in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt und ein Photon in eine bestimmte Richtung aussendet.

Die Compton-Streuung gewöhnlicher Lichtphotonen führt zu nichts Interessantem – es handelt sich lediglich um die Reflexion von Licht von einem Proton. Damit die innere Struktur des Protons „ins Spiel kommt“ und die Verteilung der Quarks „spürbar“ wird, müssen Photonen sehr hoher Energie eingesetzt werden – milliardenfach mehr als bei gewöhnlichem Licht. Und genau solche Photonen – wenn auch virtuelle – werden leicht von einem einfallenden Elektron erzeugt. Wenn wir nun das eine mit dem anderen kombinieren, erhalten wir eine tiefe virtuelle Compton-Streuung (Abb. 5).

Das Hauptmerkmal dieser Reaktion ist, dass sie das Proton nicht zerstört. Das einfallende Photon trifft nicht einfach auf das Proton, sondern tastet es gewissermaßen vorsichtig ab und fliegt dann davon. Die Richtung, in die es wegfliegt und welchen Teil der Energie das Proton ihm entzieht, hängt von der Struktur des Protons ab relative Position Partons darin. Aus diesem Grund ist es durch die Untersuchung dieses Prozesses möglich, das dreidimensionale Erscheinungsbild des Protons wiederherzustellen, als ob es „seine Skulptur formen“ würde.

Das ist für einen Experimentalphysiker zwar sehr schwierig. Der erforderliche Vorgang kommt recht selten vor und es ist schwierig, ihn zu registrieren. Die ersten experimentellen Daten zu dieser Reaktion wurden erst 2001 am HERA-Beschleuniger des deutschen Beschleunigerkomplexes DESY in Hamburg gewonnen; Eine neue Datenreihe wird derzeit von Experimentatoren verarbeitet. Doch bereits heute zeichnen Theoretiker auf Basis der ersten Daten dreidimensionale Verteilungen von Quarks und Gluonen im Proton. Physikalische Größe, über das die Physiker bisher nur Vermutungen angestellt hatten, begann schließlich aus dem Experiment „herauszutauchen“.

Erwarten uns in diesem Bereich unerwartete Entdeckungen? Es ist wahrscheinlich, dass ja. Nehmen wir zur Veranschaulichung an, dass im November 2008 ein interessanter theoretischer Artikel erschien, der besagt, dass ein sich schnell bewegendes Proton nicht wie eine flache Scheibe, sondern wie eine bikonkave Linse aussehen sollte. Dies geschieht dadurch, dass die im zentralen Bereich des Protons sitzenden Partonen in Längsrichtung stärker komprimiert werden als die an den Rändern sitzenden Partonen. Es wäre sehr interessant, diese theoretischen Vorhersagen experimentell zu überprüfen!

Warum ist das alles für Physiker interessant?

Warum müssen Physiker überhaupt genau wissen, wie die Materie in Protonen und Neutronen verteilt ist?

Erstens erfordert dies die Logik der Entwicklung der Physik. Es gibt viele erstaunliche Dinge auf der Welt komplexe Systeme, was die moderne theoretische Physik noch nicht vollständig bewältigen kann. Hadronen sind ein solches System. Indem wir die Struktur von Hadronen verstehen, verbessern wir die Fähigkeiten der theoretischen Physik, die sich durchaus als universell erweisen und möglicherweise bei etwas ganz anderem helfen werden, beispielsweise bei der Untersuchung von Supraleitern oder anderen Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften.

Zweitens gibt es einen direkten Nutzen für die Kernphysik. Trotz der fast hundertjährigen Geschichte der Erforschung von Atomkernen kennen Theoretiker das genaue Gesetz der Wechselwirkung zwischen Protonen und Neutronen immer noch nicht.

Sie müssen dieses Gesetz teilweise anhand experimenteller Daten erraten und teilweise anhand von Kenntnissen über die Struktur von Nukleonen konstruieren. Hier helfen neue Daten zur dreidimensionalen Struktur von Nukleonen.

Drittens gelang es den Physikern vor einigen Jahren, nichts Geringeres als Neues zu erlangen Aggregatzustand Substanzen - Quark-Gluon-Plasma. In diesem Zustand sitzen Quarks nicht in einzelnen Protonen und Neutronen, sondern bewegen sich frei durch die gesamte Ansammlung von Kernmaterie. Dies lässt sich beispielsweise so erreichen: Schwere Kerne werden in einem Beschleuniger auf eine Geschwindigkeit sehr nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und kollidieren dann frontal. Bei dieser Kollision entstehen für sehr kurze Zeit Temperaturen von Billionen Grad, die die Kerne zu Quark-Gluon-Plasma schmelzen lassen. Es stellt sich also heraus, dass theoretische Berechnungen dieses Kernschmelzens gute Kenntnisse der dreidimensionalen Struktur von Nukleonen erfordern.

Schließlich sind diese Daten für die Astrophysik sehr wichtig. Wenn schwere Sterne am Ende ihres Lebens explodieren, hinterlassen sie oft extrem kompakte Objekte – Neutronen- und möglicherweise Quarksterne. Der Kern dieser Sterne besteht vollständig aus Neutronen und möglicherweise sogar aus kaltem Quark-Gluon-Plasma. Solche Sterne sind schon lange entdeckt, doch was in ihnen vorgeht, kann man nur vermuten. Ein gutes Verständnis der Quarkverteilungen kann daher zu Fortschritten in der Astrophysik führen.

DEFINITION

Proton bezeichnet ein stabiles Teilchen der Klasse der Hadronen, das den Kern eines Wasserstoffatoms darstellt.

Wissenschaftler sind sich nicht einig darüber, welches wissenschaftliche Ereignis als Entdeckung des Protons anzusehen ist. Eine wichtige Rolle bei der Entdeckung des Protons spielten:

Erstellung eines Planetenmodells des Atoms durch E. Rutherford;
Entdeckung von Isotopen durch F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
Beobachtungen des Verhaltens der Kerne von Wasserstoffatomen, wenn sie durch Alphateilchen aus Stickstoffkernen herausgeschlagen werden, von E. Rutherford.

Die ersten Fotos von Protonenspuren wurden von P. Blackett in einer Nebelkammer aufgenommen, während er die Prozesse der künstlichen Transformation von Elementen untersuchte. Blackett untersuchte den Prozess des Einfangens von Alphateilchen durch Stickstoffkerne. Dabei wurde ein Proton emittiert und der Stickstoffkern in ein Sauerstoffisotop umgewandelt.

Protonen sind zusammen mit Neutronen Teil der Kerne aller chemischen Elemente. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt die Ordnungszahl des Elements Periodensystem DI. Mendelejew.

Ein Proton ist ein positiv geladenes Teilchen. Seine Ladung entspricht betragsmäßig der Elementarladung, also dem Wert der Elektronenladung. Die Ladung eines Protons wird oft als bezeichnet, dann können wir Folgendes schreiben:

Derzeit geht man davon aus, dass das Proton kein Elementarteilchen ist. Es hat eine komplexe Struktur und besteht aus zwei U-Quarks und einem D-Quark. Elektrische Ladung u - quark() ist positiv und gleich

Die elektrische Ladung eines D-Quarks () ist negativ und gleich:

Quarks verbinden den Austausch von Gluonen, die Feldquanten sind; sie unterliegen einer starken Wechselwirkung. Die Tatsache, dass Protonen in ihrer Struktur mehrere Punktstreuzentren haben, wird durch Experimente zur Streuung von Elektronen an Protonen bestätigt.

Das Proton hat eine endliche Größe, worüber Wissenschaftler immer noch streiten. Derzeit wird das Proton als Wolke mit verschwommener Grenze dargestellt. Eine solche Grenze besteht aus ständig entstehenden und vernichtenden virtuellen Teilchen. Aber in den meisten einfache Aufgaben Ein Proton kann natürlich als Punktladung betrachtet werden. Die Ruhemasse eines Protons () ist ungefähr gleich:

Die Masse eines Protons ist 1836-mal größer als die Masse eines Elektrons.

An allem sind Protonen beteiligt grundlegende Wechselwirkungen: Starke Wechselwirkungen vereinen Protonen und Neutronen zu Kernen, Elektronen und Protonen verbinden sich durch elektromagnetische Wechselwirkungen zu Atomen. Als schwache Wechselwirkung können wir beispielsweise den Betazerfall eines Neutrons (n) nennen:

wobei p ein Proton ist; — Elektron; - Antineutrino.

Der Protonenzerfall wurde noch nicht erreicht. Dies ist eines der wichtigsten modernen Probleme der Physik, da diese Entdeckung einen bedeutenden Schritt zum Verständnis der Einheit der Naturkräfte darstellen würde.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Übung

Die Kerne des Natriumatoms werden mit Protonen beschossen. Wie groß ist die Kraft der elektrostatischen Abstoßung eines Protons vom Atomkern, wenn sich das Proton in einiger Entfernung befindet?

m. Bedenken Sie, dass die Ladung des Kerns eines Natriumatoms 11-mal größer ist als die Ladung eines Protons. Beeinflussen Elektronenhülle Natriumatom muss nicht gelesen werden.

Lösung

Als Grundlage für die Lösung des Problems nehmen wir das Coulombsche Gesetz, das sich für unser Problem (vorausgesetzt, die Teilchen sind Punktteilchen) wie folgt schreiben lässt:

wobei F die Kraft der elektrostatischen Wechselwirkung geladener Teilchen ist; Cl ist die Protonenladung; - Ladung des Kerns des Natriumatoms; - Dielektrizitätskonstante des Vakuums; - elektrische Konstante. Anhand der uns vorliegenden Daten können wir die erforderliche Abstoßungskraft berechnen:

Antwort

BEISPIEL 2

Übung

Betrachtet man das einfachste Modell des Wasserstoffatoms, geht man davon aus, dass sich das Elektron auf einer Kreisbahn um das Proton (den Kern des Wasserstoffatoms) bewegt. Wie groß ist die Geschwindigkeit eines Elektrons, wenn der Radius seiner Umlaufbahn m ist?

Lösung

Betrachten wir die Kräfte (Abb. 1), die auf ein sich im Kreis bewegendes Elektron wirken. Dies ist die Anziehungskraft des Protons. Nach dem Coulombschen Gesetz schreiben wir, dass sein Wert gleich () ist:

wobei =— Elektronenladung; - Protonenladung; - elektrische Konstante. Die Anziehungskraft zwischen einem Elektron und einem Proton ist an jedem Punkt der Elektronenbahn entlang des Kreisradius vom Elektron zum Proton gerichtet.