پروتون ها در واکنش های گرما هسته ای که منبع اصلی انرژی تولید شده توسط ستاره ها هستند، شرکت می کنند. به ویژه، واکنش ها ppچرخه، که منبع تقریباً تمام انرژی ساطع شده از خورشید است، به ترکیب چهار پروتون در یک هسته هلیوم-4 با تبدیل دو پروتون به نوترون می رسد.

در فیزیک، پروتون مشخص می شود پ(یا پ+ ). نام شیمیایی پروتون (که به عنوان یون هیدروژن مثبت در نظر گرفته می شود) H + است، نام اخترفیزیکی HII است.

افتتاح [ | ]

خواص پروتون[ | ]

نسبت جرم پروتون و الکترون برابر با 1836.152 673 89(17) با دقت 0.002% برابر است با مقدار 6π 5 = 1836.118...

ساختار داخلی پروتون برای اولین بار توسط R. Hofstadter با مطالعه برخورد پرتوی از الکترون های پرانرژی (2GeV) با پروتون ها مورد مطالعه تجربی قرار گرفت. جایزه نوبلدر فیزیک 1961). پروتون از یک هسته سنگین (هسته) با شعاع سانتی متر، با چگالی جرم و بار بالا تشکیل شده است که حامل ≈ 35٪ (\displaystyle \حدود 35\%)بار الکتریکی پروتون و پوسته نسبتا کمیاب اطراف آن. در فاصله ای از ≈ 0، 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \تقریباً 0.25\cdot 10^(-13))قبل از ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 1.4\cdot 10^(-13))سانتی متر این پوسته عمدتاً از مزون های ρ - و π - مجازی تشکیل شده است ≈ 50٪ (\displaystyle \حدود 50\%)بار الکتریکی پروتون، سپس به فاصله ≈ 2، 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \تقریباً 2.5\cdot 10^(-13))سانتی متر پوسته ای از مزون های مجازی ω - و π - را گسترش می دهد که 15٪ از بار الکتریکی پروتون را حمل می کند.

فشار در مرکز پروتون ایجاد شده توسط کوارک ها حدود 1035 Pa (1030 اتمسفر) است، یعنی بیشتر از فشار داخل ستاره های نوترونی.

گشتاور مغناطیسی یک پروتون با اندازه گیری نسبت فرکانس تقدم رزونانس اندازه گیری می شود. لحظه مغناطیسیپروتون در یک میدان مغناطیسی یکنواخت و فرکانس چرخش سیکلوترون پروتون در مدار دایره ای در همان میدان.

سه کمیت فیزیکی مرتبط با پروتون وجود دارد که بعد طول دارند:

اندازه گیری شعاع پروتون با استفاده از اتم های هیدروژن معمولی، که از دهه 1960 با روش های مختلف انجام شد، (CODATA -2014) به نتیجه رسید. 0.0061 ± 0.8751 فمتومتر(1 fm = 10-15 متر). اولین آزمایش‌ها با اتم‌های هیدروژن مویونی (جایی که الکترون با یک میون جایگزین می‌شود) نتیجه 4 درصد کوچک‌تری برای این شعاع داشت: 0.00067 ± 0.84184 fm. دلایل این تفاوت هنوز مشخص نیست.

به اصطلاح پروتون س w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W، که مشارکت آن را در تعاملات ضعیف از طریق مبادله تعیین می کند ز 0 بوزون (مشابه نحوه مشارکت بار الکتریکی یک ذره در برهمکنش های الکترومغناطیسی از طریق تبادل فوتون)، مطابق با 0.0045 ± 0.0719 است. اندازه گیری های تجربینقض برابری در هنگام پراکندگی الکترون های قطبی شده روی پروتون ها. مقدار اندازه گیری شده، در خطای تجربی، با پیش بینی های نظری مدل استاندارد (0.0003 ± 0.0708) سازگار است.

ثبات [ | ]

یک پروتون آزاد پایدار است، مطالعات تجربیهیچ نشانه ای از فروپاشی خود را نشان نداد (حد پایین در طول عمر 2.9⋅10 29 سال بدون توجه به کانال واپاشی، 8.2⋅10 33 سال برای واپاشی به پوزیترون و پیون خنثی، 6.6⋅10 33 سال برای واپاشی به میون مثبت است. و پایون خنثی). از آنجایی که پروتون سبک ترین باریون است، پایداری پروتون نتیجه قانون بقای عدد باریون است - یک پروتون بدون نقض این قانون نمی تواند به ذرات سبک تر (مثلاً به پوزیترون و نوترینو) تجزیه شود. با این حال، بسیاری از توسعه‌های نظری مدل استاندارد فرآیندهایی را پیش‌بینی می‌کنند (هنوز مشاهده نشده‌اند) که منجر به عدم حفظ عدد باریون و در نتیجه فروپاشی پروتون می‌شود.

پروتون محدود شده در هسته اتم قادر به گرفتن الکترون از الکترون K-، L- یا M-پوسته اتم است (به اصطلاح "گرفتن الکترون"). یک پروتون از هسته اتم، با جذب یک الکترون، به نوترون تبدیل می شود و در همان زمان یک نوترینو ساطع می کند: p+e − →+ν ه . یک "حفره" در لایه K-، L- یا M که با جذب الکترون ایجاد می شود، با یک الکترون از یکی از لایه های الکترونی پوشاننده اتم پر می شود و پرتوهای X مشخصه مربوط به عدد اتمی را ساطع می کند. ز− 1 و/یا الکترون های اوگر. بیش از 1000 ایزوتوپ از 7 ایزوتوپ شناخته شده است
4 تا 262
105، با جذب الکترون تجزیه می شود. در انرژی های پوسیدگی موجود به اندازه کافی بالا (در بالا 2m e c 2 ≈ 1.022 مگا ولت) یک کانال واپاشی رقابتی باز می شود - واپاشی پوزیترون p → +e ++ν ه . لازم به تأکید است که این فرآیندها فقط برای یک پروتون در برخی از هسته ها امکان پذیر است، جایی که انرژی از دست رفته با انتقال نوترون حاصل به یک پوسته هسته ای پایین تر دوباره پر می شود. برای یک پروتون آزاد آنها توسط قانون بقای انرژی ممنوع هستند.

منبع پروتون در شیمی اسیدهای معدنی (نیتریک، سولفوریک، فسفریک و غیره) و آلی (فرمیک، استیک، اگزالیک و غیره) است. که در محلول آبیاسیدها می توانند با حذف یک پروتون تجزیه شوند و یک کاتیون هیدرونیوم را تشکیل دهند.

در فاز گاز، پروتون ها با یونیزاسیون به دست می آیند - حذف یک الکترون از اتم هیدروژن. پتانسیل یونیزاسیون یک اتم هیدروژن تحریک نشده 13.595 eV است. هنگامی که هیدروژن مولکولی توسط الکترون های سریع یونیزه می شود در فشار جوو دمای اتاق، ابتدا یک یون هیدروژن مولکولی (H 2 +) تشکیل می شود - سیستم فیزیکی، متشکل از دو پروتون است که در فاصله 1.06 توسط یک الکترون به هم چسبیده اند. پایداری چنین سیستمی، به گفته پاولینگ، ناشی از تشدید یک الکترون بین دو پروتون با "فرکانس تشدید" برابر با 7·10 14 s-1 است. هنگامی که دما به چند هزار درجه افزایش می یابد، ترکیب محصولات یونیزاسیون هیدروژن به نفع پروتون ها - H + تغییر می کند.

کاربرد [ | ]

پرتوهای پروتون‌های شتاب‌دار در فیزیک تجربی ذرات بنیادی (مطالعه فرآیندهای پراکندگی و تولید پرتوهای ذرات دیگر)، در پزشکی (پرتون درمانی برای سرطان) استفاده می‌شوند.

همچنین ببینید [ | ]

یادداشت [ | ]

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt ثابت های فیزیکی اساسی --- فهرست کامل
2. مقدار CODATA: جرم پروتون
3. مقدار CODATA: جرم پروتون در u
4. احمد س. و همکاران (2004). «محدودیت‌های واپاشی نوکلئون از طریق حالت‌های نامرئی از رصدخانه نوترینوی سادبری». نامه های بررسی فیزیکی. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. مقدار CODATA: معادل انرژی جرم پروتون بر حسب MeV
6. مقدار CODATA: نسبت جرم پروتون به الکترون
7. ، با. 67.
8. هافستاتر پی.ساختار هسته ها و نوکلئون ها // فیزیک. - 1963. - ت. 81، شماره 1. - ص 185-200. - ISSN. - آدرس: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Shchelkin K. I.فرآیندهای مجازی و ساختار نوکلئون // Physics of the Microworld - M.: Atomizdat, 1965. - P. 75.
10. پراکندگی الاستیک، فعل و انفعالات محیطی و رزونانس ها // ذرات با انرژی بالا. انرژی های بالا در فضا و آزمایشگاه ها - M.: Nauka، 1965. - P. 132.

هیدروژن، عنصری که ساده ترین ساختار را دارد. دارای بار مثبت و عمر تقریبا نامحدودی است. پایدارترین ذره در کیهان است. پروتون های تولید شده توسط بیگ بنگ هنوز تجزیه نشده اند. جرم پروتون 1.627*10-27 کیلوگرم یا 938.272 eV است. اغلب این مقدار در الکترون ولت بیان می شود.

پروتون توسط "پدر" فیزیک هسته ای، ارنست رادرفورد کشف شد. او این فرضیه را مطرح کرد که هسته همه اتم ها عناصر شیمیاییاز پروتون تشکیل شده است، زیرا جرم آنها به تعداد صحیح از هسته یک اتم هیدروژن بیشتر است. مجموعه رادرفورد تجربه جالب. در آن زمان، رادیواکتیویته طبیعی برخی از عناصر قبلاً کشف شده بود. این دانشمند با استفاده از تابش آلفا (ذرات آلفا هسته های پر انرژی هلیوم هستند)، اتم های نیتروژن را تحت تابش قرار داد. در نتیجه این فعل و انفعال، یک ذره به بیرون پرواز کرد. رادرفورد پیشنهاد کرد که این یک پروتون است. آزمایشات بیشتر در یک محفظه حباب ویلسون فرض او را تأیید کرد. بنابراین در سال 1913، یک ذره جدید کشف شد، اما فرضیه رادرفورد در مورد ترکیب هسته غیرقابل دفاع بود.

کشف نوترون

دانشمند بزرگ در محاسبات خود خطایی پیدا کرد و فرضیه ای در مورد وجود ذره دیگری که بخشی از هسته است و جرمی تقریباً برابر با یک پروتون دارد، مطرح کرد. از نظر تجربی، او نتوانست آن را تشخیص دهد.

این کار در سال 1932 توسط دانشمند انگلیسی جیمز چادویک انجام شد. او آزمایشی انجام داد که در آن اتم های بریلیم را با ذرات آلفای پرانرژی بمباران کرد. در نتیجه واکنش هسته ایذره ای که بعدها نوترون نامیده شد، از هسته بریلیوم به بیرون پرواز کرد. چادویک برای کشف خود سه سال بعد جایزه نوبل را دریافت کرد.

جرم یک نوترون واقعاً با جرم یک پروتون تفاوت کمی دارد (1.622 * 10-27 کیلوگرم)، اما این ذره بار ندارد. از این نظر خنثی است و در عین حال قادر به ایجاد شکافت هسته های سنگین است. به دلیل کمبود بار، یک نوترون می تواند به راحتی از سد پتانسیل کولن بالا عبور کند و به ساختار هسته نفوذ کند.

پروتون و نوترون دارای خواص کوانتومی هستند (آنها می توانند خواص ذرات و امواج را نشان دهند). تابش نوترونی برای اهداف پزشکی استفاده می شود. توانایی نفوذ بالا به این اشعه اجازه می دهد تا تومورهای عمیق و سایر تشکل های بدخیم را یونیزه کرده و آنها را شناسایی کند. در عین حال، انرژی ذرات نسبتاً کم است.

نوترون برخلاف پروتون یک ذره ناپایدار است. طول عمر آن حدود 900 ثانیه است. به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینوی الکترونی تجزیه می شود.

، الکترومغناطیسی و گرانشی

پروتون ها در واکنش های گرما هسته ای که منبع اصلی انرژی تولید شده توسط ستاره ها هستند، شرکت می کنند. به ویژه، واکنش ها ppچرخه، که منبع تقریباً تمام انرژی ساطع شده از خورشید است، به ترکیب چهار پروتون در یک هسته هلیوم-4 با تبدیل دو پروتون به نوترون می رسد.

در فیزیک، پروتون مشخص می شود پ(یا پ+ ). نام شیمیایی پروتون (که به عنوان یون هیدروژن مثبت در نظر گرفته می شود) H + است، نام اخترفیزیکی HII است.

افتتاح

خواص پروتون

نسبت جرم پروتون و الکترون برابر با 1836.152 673 89(17) با دقت 0.002% برابر است با مقدار 6π 5 = 1836.118...

ساختار درونی پروتون برای اولین بار توسط R. Hofstadter با مطالعه برخورد پرتوهای الکترون های پرانرژی (2 GeV) با پروتون ها به صورت تجربی مورد مطالعه قرار گرفت (جایزه نوبل فیزیک 1961). پروتون از یک هسته سنگین (هسته) با شعاع سانتی متر، با چگالی جرم و بار بالا تشکیل شده است که حامل ≈ 35% (\displaystyle \حدود 35\,\%)بار الکتریکی پروتون و پوسته نسبتا کمیاب اطراف آن. در فاصله ای از ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \تقریباً 0(,)25\cdot 10^(-13))قبل از ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \حدودا 1(,)4\cdot 10^(-13))سانتی متر این پوسته عمدتاً از مزون های ρ - و π - مجازی تشکیل شده است ≈ 50٪ (\displaystyle \حدود 50\,\%)بار الکتریکی پروتون، سپس به فاصله ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 2(,)5\cdot 10^(-13))سانتی متر پوسته ای از مزون های مجازی ω - و π - را گسترش می دهد که 15٪ از بار الکتریکی پروتون را حمل می کند.

فشار در مرکز پروتون ایجاد شده توسط کوارک ها حدود 1035 Pa (1030 اتمسفر) است، یعنی بیشتر از فشار درون ستارگان نوترونی.

گشتاور مغناطیسی یک پروتون با اندازه گیری نسبت فرکانس تشدید گذر گشتاور مغناطیسی پروتون در یک میدان مغناطیسی یکنواخت و فرکانس سیکلوترون مدار دایره ای پروتون در همان میدان اندازه گیری می شود.

سه کمیت فیزیکی مرتبط با پروتون وجود دارد که بعد طول دارند:

اندازه گیری شعاع پروتون با استفاده از اتم های هیدروژن معمولی، که از دهه 1960 با روش های مختلف انجام شد، (CODATA -2014) به نتیجه رسید. 0.0061 ± 0.8751 فمتومتر(1 fm = 10-15 متر). اولین آزمایش‌ها با اتم‌های هیدروژن مویونی (جایی که الکترون با یک میون جایگزین می‌شود) نتیجه 4 درصد کوچک‌تری برای این شعاع داشت: 0.00067 ± 0.84184 fm. دلایل این تفاوت هنوز مشخص نیست.

به اصطلاح بار ضعیف پروتون س w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W، که مشارکت آن را در تعاملات ضعیف از طریق مبادله تعیین می کند زبا توجه به اندازه‌گیری‌های تجربی نقض برابری در هنگام پراکندگی الکترون‌های قطبی شده روی پروتون‌ها، بوزون ۰ (مشابه نحوه مشارکت بار الکتریکی یک ذره در برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی با مبادله فوتون) برابر با ۰.۰۰۴۵ ± ۰.۰۷۱۹ است. مقدار اندازه گیری شده، در خطای تجربی، با پیش بینی های نظری مدل استاندارد (0.0003 ± 0.0708) سازگار است.

ثبات

پروتون آزاد پایدار است، مطالعات تجربی هیچ نشانه‌ای از فروپاشی آن را نشان نداده‌اند (حد پایین در طول عمر 2.9⋅10 29 سال بدون توجه به کانال واپاشی، 8.2⋅10 33 سال برای واپاشی به پوزیترون و پیون خنثی، 6.6⋅ است. 10 33 سال برای واپاشی به یک میون مثبت و یک پیون خنثی). از آنجایی که پروتون سبک ترین باریون است، پایداری پروتون نتیجه قانون بقای عدد باریون است - یک پروتون بدون نقض این قانون نمی تواند به ذرات سبک تر (مثلاً به پوزیترون و نوترینو) تجزیه شود. با این حال، بسیاری از توسعه‌های نظری مدل استاندارد فرآیندهایی را پیش‌بینی می‌کنند (هنوز مشاهده نشده‌اند) که منجر به عدم حفظ عدد باریون و در نتیجه فروپاشی پروتون می‌شود.

پروتون محدود شده در هسته اتم قادر به گرفتن الکترون از الکترون K-، L- یا M-پوسته اتم است (به اصطلاح "گرفتن الکترون"). یک پروتون از هسته اتم، با جذب یک الکترون، به نوترون تبدیل می شود و در همان زمان یک نوترینو ساطع می کند: p+e − →+ν ه . یک "حفره" در لایه K-، L- یا M که با جذب الکترون ایجاد می شود، با یک الکترون از یکی از لایه های الکترونی پوشاننده اتم پر می شود و پرتوهای X مشخصه مربوط به عدد اتمی را ساطع می کند. ز− 1 و/یا الکترون های اوگر. بیش از 1000 ایزوتوپ از 7 ایزوتوپ شناخته شده است
4 تا 262
105، با جذب الکترون تجزیه می شود. در انرژی های پوسیدگی موجود به اندازه کافی بالا (در بالا 2m e c 2 ≈ 1.022 مگا ولت) یک کانال واپاشی رقابتی باز می شود - واپاشی پوزیترون p → +e ++ν ه . لازم به تأکید است که این فرآیندها فقط برای یک پروتون در برخی از هسته ها امکان پذیر است، جایی که انرژی از دست رفته با انتقال نوترون حاصل به یک پوسته هسته ای پایین تر دوباره پر می شود. برای یک پروتون آزاد آنها توسط قانون بقای انرژی ممنوع هستند.

منبع پروتون در شیمی اسیدهای معدنی (نیتریک، سولفوریک، فسفریک و غیره) و آلی (فرمیک، استیک، اگزالیک و غیره) است. در یک محلول آبی، اسیدها می توانند با حذف یک پروتون تجزیه شوند و یک کاتیون هیدرونیوم را تشکیل دهند.

در فاز گاز، پروتون ها با یونیزاسیون به دست می آیند - حذف یک الکترون از اتم هیدروژن. پتانسیل یونیزاسیون یک اتم هیدروژن تحریک نشده 13.595 eV است. هنگامی که هیدروژن مولکولی توسط الکترون های سریع در فشار اتمسفر و دمای اتاق یونیزه می شود، یون هیدروژن مولکولی (H 2 +) در ابتدا تشکیل می شود - یک سیستم فیزیکی متشکل از دو پروتون که در فاصله 1.06 در یک الکترون با هم نگه داشته می شوند. پایداری چنین سیستمی، به گفته پاولینگ، ناشی از تشدید یک الکترون بین دو پروتون با "فرکانس تشدید" برابر با 7·10 14 s-1 است. هنگامی که دما به چند هزار درجه افزایش می یابد، ترکیب محصولات یونیزاسیون هیدروژن به نفع پروتون ها - H + تغییر می کند.

کاربرد

همچنین ببینید

یادداشت

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt ثابت های فیزیکی اساسی --- فهرست کامل
2. مقدار CODATA: جرم پروتون
3. مقدار CODATA: جرم پروتون در u
4. احمد س. و همکاران (2004). «محدودیت‌های واپاشی نوکلئون از طریق حالت‌های نامرئی از رصدخانه نوترینوی سادبری». نامه های بررسی فیزیکی. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. مقدار CODATA: معادل انرژی جرم پروتون بر حسب MeV
6. مقدار CODATA: نسبت جرم پروتون به الکترون
7. ، با. 67.
8. هافستاتر پی.ساختار هسته ها و نوکلئون ها // فیزیک. - 1963. - ت. 81، شماره 1. - ص 185-200. - ISSN. - آدرس: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Shchelkin K. I.فرآیندهای مجازی و ساختار نوکلئون // Physics of the Microworld - M.: Atomizdat, 1965. - P. 75.
10. ژدانوف جی بی.پراکندگی الاستیک، فعل و انفعالات محیطی و رزونانس ها // ذرات با انرژی بالا. انرژی های بالا در فضا و آزمایشگاه ها - M.: Nauka، 1965. - P. 132.
11. Burkert V. D.، Elouadrhiri L.، Girod F. X.توزیع فشار در داخل پروتون // طبیعت. - 2018. - اردیبهشت (ج 557، شماره 7705). - ص 396-399. - DOI: 10.1038/s41586-018-0060-z.
12. بته، جی.، موریسون اف. نظریه ابتداییهسته ها - م: IL، 1956. - ص 48.

با مطالعه ساختار ماده، فیزیکدانان دریافتند اتم ها از چه چیزی ساخته شده اند، به هسته اتم رسیدند و آن را به پروتون و نوترون تقسیم کردند. همه این مراحل به راحتی ارائه شد - فقط باید ذرات را به انرژی مورد نیاز شتاب می دادید، آنها را به یکدیگر فشار می دادید و سپس آنها خودشان به اجزای سازنده خود متلاشی می شدند.

اما در مورد پروتون ها و نوترون ها این ترفند دیگر جواب نداد. اگر چه هستند ذرات مرکب، حتی در شدیدترین برخوردها نمی توان آنها را "تکه تکه کرد". بنابراین، دهه‌ها طول کشید تا فیزیکدانان راه‌های مختلفی را برای نگاه کردن به داخل پروتون، دیدن ساختار و شکل آن ارائه کنند. امروزه مطالعه ساختار پروتون یکی از فعال ترین حوزه های فیزیک ذرات است.

طبیعت نکاتی را می دهد

تاریخچه مطالعه ساختار پروتون ها و نوترون ها به دهه 1930 برمی گردد. هنگامی که علاوه بر پروتون‌ها، نوترون‌ها نیز کشف شد (1932)، با اندازه‌گیری جرم آنها، فیزیکدانان با شگفتی متوجه شدند که این نوترون به جرم یک پروتون بسیار نزدیک است. علاوه بر این، مشخص شد که پروتون‌ها و نوترون‌ها برهم‌کنش هسته‌ای را دقیقاً به همان شکل احساس می‌کنند. آنقدر یکسان است که از دیدگاه نیروهای هسته ای، یک پروتون و یک نوترون را می توان به عنوان دو مظهر یک ذره - یک نوکلئون در نظر گرفت: یک پروتون یک نوکلئون باردار الکتریکی است و یک نوترون یک نوکلئون خنثی است. پروتون ها را با نوترون عوض کنید - و نیروهای هسته ای(تقریبا) هیچ چیز مورد توجه قرار نخواهد گرفت.

فیزیکدانان این خاصیت طبیعت را به صورت تقارن بیان می کنند - برهمکنش هسته ای با توجه به جایگزینی پروتون ها با نوترون ها متقارن است، همانطور که یک پروانه با توجه به جایگزینی سمت چپ با راست متقارن است. این تقارن علاوه بر اینکه نقش مهمی در فیزیک هسته ای ایفا می کند، در واقع اولین اشاره ای بود که نوکلئون ها دارای ویژگی جالبی هستند. ساختار داخلی. درست است، پس در دهه 30، فیزیکدانان این اشاره را متوجه نشدند.

تفاهم بعداً به وجود آمد. با این واقعیت شروع شد که در دهه‌های 1940-1950، در واکنش‌های برخورد پروتون‌ها با هسته‌های عناصر مختلف، دانشمندان از کشف بیشتر و بیشتر ذرات جدید شگفت‌زده شدند. نه پروتون‌ها، نه نوترون‌ها، نه پی مزون‌های کشف‌شده در آن زمان که نوکلئون‌ها را در هسته‌ها نگه می‌دارند، بلکه برخی از ذرات کاملاً جدید. با همه تنوعشان، این ذرات جدید دو ذره داشتند خواص عمومی. اولا، آنها، مانند نوکلئون ها، بسیار مشتاقانه در فعل و انفعالات هسته ای شرکت کردند - اکنون چنین ذرات هادرون نامیده می شوند. و دوم اینکه آنها به شدت ناپایدار بودند. ناپایدارترین آنها تنها در یک تریلیونم نانوثانیه به ذرات دیگر تجزیه شد و حتی وقت نداشت به اندازه یک هسته اتم پرواز کند!

برای مدت طولانی، "باغ وحش" هادرون یک آشفتگی کامل بود. در پایان دهه 1950، فیزیکدانان خیلی چیزها را آموخته بودند انواع متفاوتهادرون ها شروع به مقایسه آنها با یکدیگر کردند و ناگهان یک تقارن کلی و حتی تناوب خاصی از خواص آنها را دیدند. پیشنهاد شد که در داخل همه هادرون ها (از جمله نوکلئون ها) برخی از اجسام ساده به نام "کوارک" وجود دارد. با ترکیب کوارک‌ها به روش‌های مختلف، می‌توان هادرون‌های مختلف و دقیقاً از همان نوع و با همان ویژگی‌هایی که در آزمایش کشف شد به دست آورد.

چه چیزی یک پروتون را پروتون می کند؟

پس از اینکه فیزیکدانان ساختار کوارکی هادرون ها را کشف کردند و فهمیدند که کوارک ها انواع مختلفی دارند، مشخص شد که ذرات مختلف زیادی را می توان از کوارک ها ساخت. بنابراین، وقتی آزمایش‌های بعدی برای یافتن هادرون‌های جدید یکی پس از دیگری ادامه یافت، هیچ‌کس شگفت‌زده نشد. اما در میان همه هادرون ها، یک خانواده کامل از ذرات کشف شد که دقیقاً مانند پروتون از تنها دو ذره تشکیل شده است. تو-کوارک و یک د-کوارک نوعی "برادر" پروتون. و در اینجا فیزیکدانان در غافلگیری بودند.

بیایید ابتدا یک مشاهده ساده داشته باشیم. اگر چندین شیء متشکل از یک «آجر» داشته باشیم، اجسام سنگین‌تر حاوی «آجر» بیشتری هستند و آن‌هایی که سبک‌تر هستند، تعداد کمتری دارند. این یک اصل بسیار طبیعی است که می توان آن را اصل ترکیب یا اصل روبنا نامید و در هر دو حالت کاملاً کار می کند. زندگی روزمره، و در فیزیک. حتی در دستگاه ظاهر می شود هسته های اتمی- به هر حال، هسته های سنگین تر به سادگی از بیشترپروتون ها و نوترون ها

با این حال، در سطح کوارک ها این اصل به هیچ وجه کار نمی کند، و مسلماً، فیزیکدانان هنوز به طور کامل دلیل آن را کشف نکرده اند. به نظر می رسد که برادران سنگین پروتون نیز از همان کوارک های پروتون تشکیل شده اند، اگرچه آنها یک و نیم یا حتی دو برابر سنگین تر از پروتون هستند. آنها با پروتون تفاوت دارند (و با یکدیگر تفاوت دارند) نه ترکیب بندی،و متقابل محلکوارک ها، بر اساس حالتی که این کوارک ها نسبت به یکدیگر هستند. کافی است موقعیت نسبی کوارک ها را تغییر دهیم - و از پروتون یک ذره دیگر، به طور قابل توجهی سنگین تر، دریافت خواهیم کرد.

اما اگر همچنان بیش از سه کوارک را بگیرید و جمع آوری کنید چه اتفاقی می افتد؟ آیا ذره سنگین جدیدی تولید خواهد شد؟ با کمال تعجب، این کار نمی کند - کوارک ها به سه قسمت تقسیم می شوند و به چندین ذره پراکنده تبدیل می شوند. به دلایلی، طبیعت "دوست ندارد" بسیاری از کوارک ها را در یک کل ترکیب کند! اخیراً، به معنای واقعی کلمه در سال های گذشته، نکاتی مبنی بر وجود ذرات چند کوارکی شروع شده است، اما این فقط تأکید می کند که طبیعت چقدر آنها را دوست ندارد.

یک نتیجه بسیار مهم و عمیق از این ترکیبات به دست می آید - جرم هادرون ها اصلاً از جرم کوارک ها تشکیل نمی شود. اما اگر بتوان جرم یک هادرون را با ترکیب مجدد آجرهای تشکیل دهنده آن کم یا زیاد کرد، پس این خود کوارک ها نیستند که مسئول جرم هادرون هستند. و در واقع، در آزمایش‌های بعدی می‌توان دریافت که جرم کوارک‌ها تنها حدود دو درصد از جرم پروتون است و بقیه گرانش به دلیل میدان نیرو (ذرات خاص - گلوئون‌ها) ایجاد می‌شود. کوارک ها را به هم متصل کنید با تغییر موقعیت نسبی کوارک ها، به عنوان مثال، دورتر کردن آنها از یکدیگر، ابر گلوئونی را تغییر می دهیم و آن را پرجرم تر می کنیم، به همین دلیل است که جرم هادرون افزایش می یابد (شکل 1).

در داخل یک پروتون با حرکت سریع چه می گذرد؟

هر آنچه در بالا توضیح داده شد به یک پروتون ساکن در زبان فیزیکدانان مربوط می شود، این ساختار پروتون در چارچوب استراحت آن است. با این حال، در آزمایش، ساختار پروتون برای اولین بار در شرایط دیگر - در داخل - کشف شد پرواز سریعپروتون

در اواخر دهه 1960، در آزمایش‌هایی که روی برخورد ذرات در شتاب‌دهنده‌ها انجام شد، مشاهده شد که پروتون‌هایی که با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کنند، طوری رفتار می‌کنند که گویی انرژی درون آنها به طور یکنواخت توزیع نشده است، اما در اجسام فشرده منفرد متمرکز شده است. فیزیکدان معروف ریچارد فاینمن پیشنهاد کرد که این توده های ماده را در داخل پروتون بنامند پارتون ها(از انگلیسی قسمت -قسمت).

آزمایش‌های بعدی بسیاری از ویژگی‌های پارتون‌ها را مورد بررسی قرار دادند، به‌عنوان مثال، بار الکتریکی، تعداد آن‌ها، و کسری از انرژی پروتونی که هر کدام با خود حمل می‌کنند. معلوم شد که پارتون های باردار کوارک هستند و پارتون های خنثی گلوئون هستند. بله، همان گلوئون‌ها، که در چارچوب استراحت پروتون به سادگی به کوارک‌ها «خدمت» می‌کردند و آن‌ها را به یکدیگر جذب می‌کردند، اکنون پارتون‌های مستقلی هستند و همراه با کوارک‌ها «ماده» و انرژی یک پروتون با حرکت سریع را حمل می‌کنند. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که تقریباً نیمی از انرژی در کوارک‌ها و نیمی در گلوئون‌ها ذخیره می‌شود.

پارتون ها به راحتی در برخورد پروتون ها با الکترون ها مورد مطالعه قرار می گیرند. واقعیت این است که برخلاف پروتون، یک الکترون در برهمکنش های هسته ای قوی شرکت نمی کند و برخورد آن با پروتون بسیار ساده به نظر می رسد: الکترون بسیار است. مدت کوتاهییک فوتون مجازی ساطع می کند که به یک پارتون باردار برخورد می کند و در نهایت تولید می کند عدد بزرگذرات (شکل 2). می توان گفت که الکترون یک اسکالپل عالی برای "باز کردن" پروتون و تقسیم آن به بخش های جداگانه است - البته فقط برای مدت بسیار کوتاهی. با دانستن تعداد دفعات وقوع چنین فرآیندهایی در یک شتاب دهنده، می توان تعداد پارتون های داخل یک پروتون و بارهای آنها را اندازه گیری کرد.

واقعاً پارتون ها چه کسانی هستند؟

و در اینجا به کشف شگفت انگیز دیگری می رسیم که فیزیکدانان هنگام مطالعه برخورد ذرات بنیادی در انرژی های بالا انجام دادند.

در شرایط عادی، این سؤال که این یا آن شی از چه چیزی تشکیل شده است، برای همه سیستم های مرجع پاسخی جهانی دارد. به عنوان مثال، یک مولکول آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است - و فرقی نمی کند که به یک مولکول ساکن نگاه کنیم یا متحرک. با این حال، این قانون بسیار طبیعی به نظر می رسد! - نقض می شود اگر ما در مورددر مورد ذرات بنیادی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند. در یک چارچوب مرجع، یک ذره پیچیده ممکن است از یک مجموعه از ذرات فرعی و در چارچوب مرجع دیگر، از مجموعه دیگری تشکیل شده باشد. معلوم می شود که ترکیب یک مفهوم نسبی است!

چگونه می تواند این باشد؟ کلید اینجا یک چیز است دارایی مهم: تعداد ذرات در جهان ما ثابت نیست - ذرات می توانند متولد شوند و ناپدید شوند. به عنوان مثال، اگر دو الکترون را با انرژی به اندازه کافی بالا به هم فشار دهید، علاوه بر این دو الکترون، یک فوتون یا یک جفت الکترون-پوزیترون یا برخی ذرات دیگر می تواند متولد شود. همه اینها توسط قوانین کوانتومی مجاز است و این دقیقاً همان چیزی است که در آزمایش های واقعی اتفاق می افتد.

اما این "قانون عدم حفاظت" ذرات کار می کند در صورت برخوردذرات. چگونه اتفاق می افتد که پروتون یکسان از دیدگاه های مختلف به نظر می رسد که از مجموعه ای متفاوت از ذرات تشکیل شده است؟ نکته این است که یک پروتون فقط سه کوارک در کنار هم نیست. یک میدان نیروی گلوئون بین کوارک ها وجود دارد. به طور کلی، میدان نیرو (مانند میدان گرانشی یا الکتریکی) نوعی «موجود» مادی است که در فضا نفوذ می‌کند و به ذرات اجازه می‌دهد تا تأثیر نیرومندی بر یکدیگر بگذارند. که در نظریه کوانتوماین میدان همچنین از ذرات تشکیل شده است، اگرچه ذرات خاص - مجازی. تعداد این ذرات ثابت نیست.

استراحت كردنیک پروتون را واقعاً می توان به عنوان سه کوارک در نظر گرفت که گلوئون ها بین آنها می پرند. اما اگر به همان پروتون از چارچوب مرجع متفاوتی نگاه کنیم، گویی از پنجره "قطار نسبیتی" که در حال عبور است، تصویری کاملا متفاوت خواهیم دید. آن گلوئون‌های مجازی که کوارک‌ها را به هم چسبانده‌اند، ذرات کمتر مجازی و «واقعی‌تر» به نظر می‌رسند. البته آنها هنوز توسط کوارک ها متولد و جذب می شوند، اما در عین حال مدتی به تنهایی زندگی می کنند و مانند ذرات واقعی در کنار کوارک ها پرواز می کنند. چیزی که ساده به نظر می رسد درست نیرویدر یک چارچوب مرجع، در فریم دیگر به جریانی از ذرات تبدیل می شود! توجه داشته باشید که ما خود پروتون را لمس نمی کنیم، بلکه فقط از چارچوب مرجع متفاوتی به آن نگاه می کنیم.

علاوه بر این. هرچه سرعت «قطار نسبیتی» ما به سرعت نور نزدیک‌تر باشد، تصویری شگفت‌انگیزتر در داخل پروتون خواهیم دید. با نزدیک شدن به سرعت نور، متوجه می شویم که گلوئون های بیشتری در داخل پروتون وجود دارد. علاوه بر این، آنها گاهی اوقات به جفت کوارک-آنتی کوارک تقسیم می شوند، که آنها نیز در نزدیکی پرواز می کنند و همچنین پارتون در نظر گرفته می شوند. در نتیجه، یک پروتون فرانسبیتی، یعنی پروتونی که نسبت به ما با سرعتی بسیار نزدیک به سرعت نور حرکت می کند، به شکل ابرهای متقابل کوارک ها، آنتی کوارک ها و گلوئون ها ظاهر می شود که با هم پرواز می کنند و به نظر می رسد از یکدیگر پشتیبانی می کنند (شکل 3).

خواننده ای که با نظریه نسبیت آشناست ممکن است نگران باشد. تمام فیزیک بر این اصل استوار است که هر فرآیندی در همه به یک شکل پیش می رود سیستم های اینرسیشمارش معکوس و بعد معلوم می شود که ترکیب پروتون بستگی به چارچوب مرجعی دارد که از آن مشاهده می کنیم؟!

بله، دقیقا، اما این به هیچ وجه اصل نسبیت را نقض نمی کند. نتایج فرآیندهای فیزیکی - برای مثال، اینکه کدام ذرات و چه تعداد در نتیجه یک برخورد تولید می‌شوند - ثابت می‌شوند، اگرچه ترکیب پروتون به چارچوب مرجع بستگی دارد.

این وضعیت که در نگاه اول غیرمعمول است، اما تمام قوانین فیزیک را برآورده می کند، به صورت شماتیک در شکل 4 نشان داده شده است. این نشان می دهد که چگونه برخورد دو پروتون با انرژی بالا در چارچوب های مرجع مختلف به نظر می رسد: در قاب بقیه یک پروتون، در مرکز قاب جرم، در قاب بقیه پروتون دیگر. برهم کنش بین پروتون ها از طریق آبشاری از گلوئون های شکافنده انجام می شود، اما فقط در یک مورد این آبشار "درون" یک پروتون در نظر گرفته می شود، در مورد دیگر بخشی از پروتون دیگر در نظر گرفته می شود و در مورد سوم به سادگی مقداری است. جسمی که بین دو پروتون مبادله می شود. این آبشار وجود دارد، واقعی است، اما اینکه کدام بخش از فرآیند باید به آن نسبت داده شود به چارچوب مرجع بستگی دارد.

پرتره سه بعدی از یک پروتون

تمام نتایجی که ما در مورد آنها صحبت کردیم بر اساس آزمایش هایی بود که مدت ها پیش - در دهه 60-70 قرن گذشته - انجام شد. به نظر می رسد که از آن زمان همه چیز باید مطالعه می شد و همه سؤالات باید پاسخ خود را پیدا می کردند. اما نه - ساختار پروتون همچنان یکی از جالب ترین موضوعات در فیزیک ذرات است. علاوه بر این، علاقه به آن در سال‌های اخیر دوباره افزایش یافته است، زیرا فیزیکدانان دریافته‌اند که چگونه می‌توان یک پرتره سه بعدی از یک پروتون با حرکت سریع به دست آورد، که بسیار دشوارتر از پرتره یک پروتون ساکن است.

آزمایش‌های کلاسیک بر روی برخورد پروتون‌ها فقط در مورد تعداد پارتون‌ها و توزیع انرژی آنها صحبت می‌کند. در چنین آزمایش‌هایی، پارتون‌ها به‌عنوان اجرام مستقل شرکت می‌کنند، به این معنی که نمی‌توان از آن‌ها فهمید که پارتون‌ها نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند یا دقیقاً چگونه جمع می‌شوند تا یک پروتون تشکیل دهند. می توان گفت که برای مدت طولانی، فقط یک پرتره "یک بعدی" از یک پروتون با حرکت سریع در دسترس فیزیکدانان بود.

برای ساختن یک پرتره واقعی و سه بعدی از یک پروتون و کشف توزیع پارتون ها در فضا، آزمایش های بسیار ظریف تری نسبت به آزمایش هایی که 40 سال پیش ممکن بود مورد نیاز است. فیزیکدانان اخیراً، به معنای واقعی کلمه، انجام چنین آزمایشاتی را آموخته اند دهه گذشته. آنها متوجه شدند که در میان مقدار زیادیاز واکنش‌های مختلفی که هنگام برخورد الکترون با پروتون رخ می‌دهد، یک واکنش خاص وجود دارد - پراکندگی کامپتون مجازی عمیق, - که می تواند در مورد ساختار سه بعدی پروتون به ما بگوید.

به طور کلی، پراکندگی کامپتون یا اثر کامپتون، برخورد الاستیک یک فوتون با یک ذره، برای مثال یک پروتون است. به نظر می رسد: یک فوتون می رسد، توسط یک پروتون جذب می شود، که برای مدت کوتاهی به حالت برانگیخته می رود، و سپس به حالت اولیه خود باز می گردد و یک فوتون را در جهتی ساطع می کند.

پراکندگی کامپتون فوتون های نور معمولی به هیچ چیز جالبی منجر نمی شود - این فقط انعکاس نور از یک پروتون است. برای اینکه ساختار داخلی پروتون "به کار بیاید" و توزیع کوارک ها "احساس" شود، لازم است از فوتون هایی با انرژی بسیار بالا - میلیاردها برابر بیشتر از نور معمولی استفاده شود. و فقط چنین فوتون هایی - هرچند مجازی - به راحتی توسط یک الکترون فرودی تولید می شوند. اگر اکنون یکی را با دیگری ترکیب کنیم، به پراکندگی کامپتون مجازی عمیق خواهیم رسید (شکل 5).

ویژگی اصلی این واکنش این است که پروتون را از بین نمی برد. فوتون فرودی نه تنها به پروتون برخورد می کند، بلکه آن را با دقت احساس می کند و سپس پرواز می کند. جهتی که در آن پرواز می کند و اینکه پروتون چه بخشی از انرژی را از آن می گیرد به ساختار پروتون بستگی دارد. موقعیت نسبیپارتون های داخل آن به همین دلیل است که با مطالعه این فرآیند، می توان ظاهر سه بعدی پروتون را بازیابی کرد، گویی که "مجسمه آن را مجسمه سازی کرد."

درست است، انجام این کار برای یک فیزیکدان تجربی بسیار دشوار است. فرآیند مورد نیاز به ندرت اتفاق می افتد و ثبت آن دشوار است. اولین داده های تجربی در مورد این واکنش تنها در سال 2001 در شتاب دهنده HERA در مجتمع شتاب دهنده DESY آلمان در هامبورگ به دست آمد. یک سری جدید از داده ها در حال حاضر توسط آزمایشگران در حال پردازش است. با این حال، امروزه، بر اساس داده های اولیه، نظریه پردازان در حال ترسیم توزیع های سه بعدی کوارک ها و گلوئون ها در پروتون هستند. کمیت فیزیکی، که فیزیکدانان قبلاً فقط در مورد آن فرضیاتی داشتند، در نهایت شروع به "ظهور" از آزمایش کردند.

آیا اکتشافات غیرمنتظره ای در این زمینه در انتظار ما است؟ این احتمال وجود دارد که بله. به عنوان مثال، بیایید بگوییم که در نوامبر 2008 یک مقاله نظری جالب ظاهر شد، که بیان می کند که یک پروتون با حرکت سریع نباید شبیه یک دیسک تخت باشد، بلکه یک عدسی دو مقعر است. این به این دلیل اتفاق می‌افتد که پارتون‌هایی که در ناحیه مرکزی پروتون قرار دارند در جهت طولی فشرده‌تر از پارتون‌های نشسته در لبه‌ها هستند. آزمایش تجربی این پیش بینی های نظری بسیار جالب خواهد بود!

چرا همه اینها برای فیزیکدانان جالب است؟

چرا فیزیکدانان حتی باید بدانند که ماده در داخل پروتون ها و نوترون ها چگونه توزیع می شود؟

اولاً، این امر توسط منطق توسعه فیزیک لازم است. چیزهای شگفت انگیز زیادی در دنیا وجود دارد سیستم های پیچیده، که فیزیک نظری مدرن هنوز نمی تواند به طور کامل با آن کنار بیاید. هادرون ها یکی از این سیستم ها هستند. با درک ساختار هادرون ها، ما توانایی های فیزیک نظری را تقویت می کنیم، که ممکن است به خوبی جهانی باشد و شاید در چیزی کاملاً متفاوت، به عنوان مثال، در مطالعه ابررساناها یا سایر مواد با خواص غیر معمول، کمک کند.

ثانیاً، منافع مستقیمی برای فیزیک هسته ای وجود دارد. با وجود سابقه تقریباً یک قرنی مطالعه هسته اتم، نظریه پردازان هنوز قانون دقیق برهمکنش بین پروتون ها و نوترون ها را نمی دانند.

آنها باید تا حدی این قانون را بر اساس داده های تجربی حدس بزنند و تا حدی آن را بر اساس دانش در مورد ساختار نوکلئون ها بسازند. اینجاست که داده های جدید در مورد ساختار سه بعدی نوکلئون ها کمک خواهد کرد.

ثالثاً، چندین سال پیش فیزیکدانان نتوانستند چیزی کمتر از چیزهای جدید بدست آورند حالت تجمعمواد - پلاسمای کوارک گلوئون. در این حالت، کوارک‌ها درون پروتون‌ها و نوترون‌ها قرار نمی‌گیرند، بلکه آزادانه در کل توده ماده هسته‌ای راه می‌روند. این را می توان به عنوان مثال به این صورت به دست آورد: هسته های سنگین در یک شتاب دهنده به سرعتی بسیار نزدیک به سرعت نور شتاب می گیرند و سپس رو به رو با هم برخورد می کنند. در این برخورد، دمای تریلیون‌ها درجه برای مدت بسیار کوتاهی ایجاد می‌شود که هسته‌ها را به پلاسمای کوارک گلوئون ذوب می‌کند. بنابراین، معلوم می شود که محاسبات نظری این ذوب هسته ای مستلزم دانش خوبی از ساختار سه بعدی نوکلئون ها است.

در نهایت، این داده ها برای اخترفیزیک بسیار ضروری هستند. هنگامی که ستارگان سنگین در پایان عمر خود منفجر می شوند، اغلب اجسام بسیار فشرده را پشت سر می گذارند - ستاره های نوترونی و احتمالاً کوارکی. هسته این ستارگان کاملاً از نوترون ها و شاید حتی پلاسمای کوارک-گلئون سرد تشکیل شده است. چنین ستاره هایی مدت هاست که کشف شده اند، اما فقط می توان حدس زد که در درون آنها چه می گذرد. بنابراین درک خوب توزیع کوارک می تواند منجر به پیشرفت در اخترفیزیک شود.

تعریف

پروتونذره ای پایدار متعلق به کلاس هادرون نامیده می شود که هسته اتم هیدروژن است.

دانشمندان در مورد اینکه کدام رویداد علمی را باید کشف پروتون در نظر گرفت، اختلاف نظر دارند. نقش مهمی در کشف پروتون توسط:

1. ایجاد یک مدل سیاره ای از اتم توسط E. Rutherford.
2. کشف ایزوتوپ توسط F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
3. مشاهدات رفتار هسته های اتم های هیدروژن زمانی که توسط ذرات آلفا از هسته های نیتروژن توسط E. Rutherford حذف می شوند.

اولین عکس‌ها از مسیرهای پروتون توسط P. Blackett در یک محفظه ابر هنگام مطالعه فرآیندهای تبدیل مصنوعی عناصر به دست آمد. بلکت فرآیند جذب ذرات آلفا توسط هسته نیتروژن را مطالعه کرد. در این فرآیند یک پروتون ساطع شد و هسته نیتروژن به ایزوتوپ اکسیژن تبدیل شد.

پروتون ها همراه با نوترون ها بخشی از هسته همه عناصر شیمیایی هستند. تعداد پروتون های هسته، عدد اتمی عنصر را تعیین می کند جدول تناوبی DI. مندلیف.

پروتون یک ذره با بار مثبت است. بار آن از نظر بزرگی برابر با بار اولیه است، یعنی مقدار بار الکترون. بار یک پروتون اغلب به صورت نشان داده می شود، پس می توانیم بنویسیم که:

در حال حاضر اعتقاد بر این است که پروتون یک ذره بنیادی نیست. ساختار پیچیده ای دارد و از دو کوارک u و یک کوارک d تشکیل شده است. شارژ الکتریکی u - کوارک () مثبت است و برابر است

بار الکتریکی d-کوارک () منفی و برابر است با:

کوارک ها تبادل گلوئون ها را که کوانتوم های میدانی هستند به هم متصل می کنند. این واقعیت که پروتون ها دارای چندین مرکز پراکندگی نقطه ای در ساختار خود هستند، با آزمایشات روی پراکندگی الکترون ها توسط پروتون ها تأیید می شود.

پروتون اندازه محدودی دارد که دانشمندان هنوز در مورد آن بحث می کنند. در حال حاضر، پروتون به صورت ابری نشان داده می شود که مرزی مبهم دارد. چنین مرزی شامل ذرات مجازی است که دائماً در حال ظهور و نابودی هستند. اما در بیشتر کارهای سادهالبته یک پروتون را می توان یک بار نقطه ای در نظر گرفت. جرم بقیه پروتون () تقریباً برابر است با:

جرم پروتون 1836 برابر بیشتر از جرم الکترون است.

پروتون ها در همه شرکت می کنند تعاملات اساسی: برهمکنش های قوی پروتون ها و نوترون ها را به هسته ها متصل می کند، الکترون ها و پروتون ها با استفاده از برهمکنش های الکترومغناطیسی در اتم ها به هم می پیوندند. به عنوان یک برهمکنش ضعیف، می توانیم به عنوان مثال، واپاشی بتا یک نوترون (n) را ذکر کنیم:

جایی که p پروتون است. - الکترون؛ - ضد نوترینو

واپاشی پروتون هنوز به دست نیامده است. این یکی از مسائل مهم مدرن فیزیک است، زیرا این کشف گام مهمی در درک وحدت نیروهای طبیعت خواهد بود.

نمونه هایی از حل مسئله

مثال 1

ورزش	هسته های اتم سدیم با پروتون بمباران می شوند. نیروی دافعه الکترواستاتیکی یک پروتون از هسته یک اتم در صورتی که پروتون در فاصله ای باشد چقدر است؟ m در نظر بگیرید که بار هسته یک اتم سدیم 11 برابر بیشتر از بار یک پروتون است. نفوذ پوسته الکترونیاتم سدیم نیازی به خواندن ندارد.
راه حل	به عنوان مبنایی برای حل مسئله، قانون کولن را در نظر می گیریم که می تواند برای مسئله ما (با فرض اینکه ذرات ذرات نقطه ای هستند) به صورت زیر نوشته شود: که در آن F نیروی برهمکنش الکترواستاتیکی ذرات باردار است. Cl بار پروتون است. - بار هسته اتم سدیم؛ - ثابت دی الکتریک خلاء؛ - ثابت الکتریکی با استفاده از داده هایی که داریم، می توانیم نیروی دافعه مورد نیاز را محاسبه کنیم:
پاسخ	ن

مثال 2

ورزش	با در نظر گرفتن ساده ترین مدل اتم هیدروژن، اعتقاد بر این است که الکترون در یک مدار دایره ای به دور پروتون (هسته اتم هیدروژن) حرکت می کند. سرعت یک الکترون چقدر است اگر شعاع مدار آن m باشد؟
راه حل	بیایید نیروهایی را در نظر بگیریم (شکل 1) که بر الکترون در حال حرکت در دایره تأثیر می گذارد. این نیروی جاذبه از پروتون است. طبق قانون کولن می نویسیم که مقدار آن برابر است با (: جایی که =— بار الکترون؛ - بار پروتون؛ - ثابت الکتریکی نیروی جاذبه بین یک الکترون و یک پروتون در هر نقطه از مدار الکترون از الکترون به پروتون در امتداد شعاع دایره هدایت می شود.