Les protons participent aux réactions thermonucléaires, qui constituent la principale source d'énergie générée par les étoiles. En particulier, les réactions pp-cycle, qui est la source de la quasi-totalité de l'énergie émise par le Soleil, se résume à la combinaison de quatre protons en un noyau d'hélium-4 avec transformation de deux protons en neutrons.

En physique, le proton est noté p(ou p+ ). La désignation chimique du proton (considéré comme un ion hydrogène positif) est H +, la désignation astrophysique est HII.

Ouverture [ | ]

Propriétés des protons[ | ]

Le rapport des masses des protons et des électrons, égal à 1836,152 673 89(17), avec une précision de 0,002% est égal à la valeur 6π 5 = 1836,118…

La structure interne du proton a été étudiée pour la première fois expérimentalement par R. Hofstadter en étudiant les collisions d'un faisceau d'électrons de haute énergie (2 GeV) avec des protons ( prix Nobel en physique 1961). Le proton est constitué d'un noyau lourd (noyau) d'un rayon de cm, avec une densité de masse et de charge élevée, portant ≈ 35 % (\displaystyle \environ 35\%) charge électrique du proton et de la coquille relativement raréfiée qui l'entoure. A distance de ≈ 0, 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \environ 0,25\cdot 10^(-13)) avant ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \environ 1,4\cdot 10^(-13)) cm cette coquille est principalement constituée de mésons virtuels ρ - et π portant ≈ 50 % (\displaystyle \environ 50\%) charge électrique du proton, puis à distance ≈ 2, 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \environ 2,5\cdot 10^(-13)) cm étend une coquille de mésons ω - et π virtuels, transportant environ 15 % de la charge électrique du proton.

La pression au centre du proton créé par les quarks est d'environ 10 35 Pa (10 30 atmosphères), c'est-à-dire supérieure à la pression à l'intérieur étoiles à neutrons.

Le moment magnétique d'un proton est mesuré en mesurant le rapport de la fréquence de précession de résonance moment magnétique proton dans un champ magnétique uniforme donné et la fréquence cyclotronique de révolution du proton sur une orbite circulaire dans le même champ.

Il existe trois grandeurs physiques associées à un proton qui ont la dimension de longueur :

Les mesures du rayon du proton à l'aide d'atomes d'hydrogène ordinaires, réalisées par diverses méthodes depuis les années 1960, ont conduit (CODATA -2014) au résultat 0,8751 ± 0,0061 femtomètre(1 fm = 10 −15 m). Les premières expériences avec des atomes d'hydrogène muoniques (où l'électron est remplacé par un muon) ont donné un résultat 4 % plus petit pour ce rayon : 0,84184 ± 0,00067 fm. Les raisons de cette différence ne sont pas encore claires.

Le soi-disant proton Q w ≈ 1 − 4 péché 2 θ W, qui détermine sa participation à des interactions faibles par l'échange Z Le boson 0 (semblable à la façon dont la charge électrique d'une particule détermine sa participation aux interactions électromagnétiques via l'échange de photons) est de 0,0719 ± 0,0045, selon mesures expérimentales violation de la parité lors de la diffusion d'électrons polarisés sur des protons. La valeur mesurée est cohérente, à l'erreur expérimentale près, avec les prédictions théoriques du modèle standard (0,0708 ± 0,0003).

La stabilité [ | ]

Un proton libre est stable, études expérimentales n'a révélé aucun signe de sa désintégration (la limite inférieure de la durée de vie est de 2,9⋅10 29 ans quel que soit le canal de désintégration, 8,2⋅10 33 ans pour la désintégration en positron et pion neutre, 6,6⋅10 33 ans pour la désintégration en muon positif et pion neutre). Puisque le proton est le plus léger des baryons, la stabilité du proton est une conséquence de la loi de conservation du nombre de baryons - un proton ne peut pas se désintégrer en particules plus légères (par exemple, en un positron et un neutrino) sans violer cette loi. Cependant, de nombreuses extensions théoriques du modèle standard prédisent des processus (pas encore observés) qui entraîneraient une non-conservation du nombre de baryons et donc une désintégration des protons.

Un proton lié dans un noyau atomique est capable de capturer un électron de la couche électronique K, L ou M de l'atome (ce qu'on appelle « capture d'électrons »). Un proton du noyau atomique, ayant absorbé un électron, se transforme en neutron et émet simultanément un neutrino : p+e − →+ν e . Un « trou » dans la couche K, L ou M formé par capture d'électrons est rempli d'un électron provenant de l'une des couches électroniques sus-jacentes de l'atome, émettant des rayons X caractéristiques correspondant au numéro atomique. Z− 1, et/ou électrons Auger. Plus de 1000 isotopes parmi 7 sont connus
4 à 262
105, se désintégrant par capture d'électrons. À des énergies de désintégration disponibles suffisamment élevées (au-dessus 2m e c 2 ≈ 1,022 MeV) un canal de désintégration concurrent s'ouvre - désintégration des positons p → +e ++ν e . Il convient de souligner que ces processus ne sont possibles que pour un proton dans certains noyaux, où l'énergie manquante est reconstituée par la transition du neutron résultant vers une enveloppe nucléaire inférieure ; pour un proton libre ils sont interdits par la loi de conservation de l'énergie.

La source de protons en chimie sont les acides minéraux (nitrique, sulfurique, phosphorique et autres) et organiques (formique, acétique, oxalique et autres). DANS solution aqueuse les acides sont capables de se dissocier avec élimination d'un proton, formant un cation hydronium.

En phase gazeuse, les protons sont obtenus par ionisation - l'élimination d'un électron d'un atome d'hydrogène. Le potentiel d'ionisation d'un atome d'hydrogène non excité est de 13,595 eV. Lorsque l'hydrogène moléculaire est ionisé par des électrons rapides à pression atmosphérique et à température ambiante, un ion hydrogène moléculaire (H 2 +) se forme initialement - système physique, composé de deux protons maintenus ensemble à une distance de 1,06 par un électron. La stabilité d'un tel système, selon Pauling, est due à la résonance d'un électron entre deux protons avec une « fréquence de résonance » égale à 7·10 14 s −1. Lorsque la température atteint plusieurs milliers de degrés, la composition des produits d'ionisation de l'hydrogène évolue en faveur des protons - H +.

Application [ | ]

Les faisceaux de protons accélérés sont utilisés en physique expérimentale des particules élémentaires (étude des processus de diffusion et production de faisceaux d'autres particules), en médecine (protonthérapie pour le cancer).

voir également [ | ]

Remarques [ | ]

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Constantes physiques fondamentales --- Liste complète
2. Valeur CODATA : masse du proton
3. Valeur CODATA : masse du proton en u
4. Ahmed S. ; et coll. (2004). « Contraintes sur la désintégration des nucléons via les modes invisibles de l'Observatoire des neutrinos de Sudbury. » Lettres d'examen physique. 92 (10) : 102004. arXiv : hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI : 10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. Valeur CODATA : équivalent d'énergie de masse du proton en MeV
6. Valeur CODATA : rapport de masse proton-électron
7. , Avec. 67.
8. Hofstadter P. Structure des noyaux et des nucléons // Phys. - 1963. - T. 81, n° 1. - P. 185-200. -ISSN. - URL : http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Shchelkin K.I. Processus virtuels et structure du nucléon // Physique du Micromonde - M. : Atomizdat, 1965. - P. 75.
10. Diffusion élastique, interactions périphériques et résonances // Particules de haute énergie. Hautes énergies dans l'espace et les laboratoires - M. : Nauka, 1965. - P. 132.

L'hydrogène, un élément qui a la structure la plus simple. Il a une charge positive et une durée de vie quasi illimitée. C'est la particule la plus stable de l'Univers. Les protons produits par le Big Bang ne se sont pas encore désintégrés. La masse du proton est de 1,627*10-27 kg ou 938,272 eV. Le plus souvent, cette valeur est exprimée en électronvolts.

Le proton a été découvert par le « père » de la physique nucléaire, Ernest Rutherford. Il a émis l'hypothèse que les noyaux de tous les atomes éléments chimiques sont constitués de protons, puisque leur masse dépasse le noyau d'un atome d'hydrogène d'un nombre entier de fois. Rutherford a mis expérience intéressante. A cette époque, la radioactivité naturelle de certains éléments avait déjà été découverte. En utilisant un rayonnement alpha (les particules alpha sont des noyaux d'hélium à haute énergie), le scientifique a irradié des atomes d'azote. À la suite de cette interaction, une particule s’est envolée. Rutherford a suggéré qu'il s'agissait d'un proton. D'autres expériences dans une chambre à bulles Wilson ont confirmé son hypothèse. Ainsi, en 1913, une nouvelle particule fut découverte, mais l’hypothèse de Rutherford sur la composition du noyau s’avéra intenable.

Découverte du neutron

Le grand scientifique a trouvé une erreur dans ses calculs et a émis une hypothèse sur l'existence d'une autre particule faisant partie du noyau et ayant presque la même masse qu'un proton. Expérimentalement, il n'a pas pu le détecter.

Cela a été réalisé en 1932 par le scientifique anglais James Chadwick. Il a mené une expérience dans laquelle il a bombardé des atomes de béryllium avec des particules alpha de haute énergie. Par conséquent réaction nucléaire Une particule, appelée plus tard neutron, s’est envolée du noyau de béryllium. Pour sa découverte, Chadwick reçut le prix Nobel trois ans plus tard.

La masse d'un neutron diffère en réalité peu de la masse d'un proton (1,622 * 10-27 kg), mais cette particule n'a pas de charge. En ce sens, il est neutre et en même temps capable de provoquer la fission de noyaux lourds. En raison du manque de charge, un neutron peut facilement traverser la barrière de potentiel coulombien élevé et pénétrer dans la structure du noyau.

Le proton et le neutron ont des propriétés quantiques (ils peuvent présenter les propriétés des particules et des ondes). Le rayonnement neutronique est utilisé à des fins médicales. Une capacité de pénétration élevée permet à ce rayonnement d'ioniser les tumeurs profondes et autres formations malignes et de les détecter. Dans le même temps, l’énergie des particules est relativement faible.

Le neutron, contrairement au proton, est une particule instable. Sa durée de vie est d'environ 900 secondes. Il se désintègre en proton, en électron et en neutrino électronique.

, électromagnétique et gravitationnel

Les protons participent aux réactions thermonucléaires, qui constituent la principale source d'énergie générée par les étoiles. En particulier, les réactions pp-cycle, qui est la source de la quasi-totalité de l'énergie émise par le Soleil, se résume à la combinaison de quatre protons en un noyau d'hélium-4 avec transformation de deux protons en neutrons.

En physique, le proton est noté p(ou p+ ). La désignation chimique du proton (considéré comme un ion hydrogène positif) est H +, la désignation astrophysique est HII.

Ouverture

Propriétés des protons

Le rapport des masses des protons et des électrons, égal à 1836,152 673 89(17), avec une précision de 0,002% est égal à la valeur 6π 5 = 1836,118…

La structure interne du proton a été étudiée pour la première fois expérimentalement par R. Hofstadter en étudiant les collisions d'un faisceau d'électrons de haute énergie (2 GeV) avec des protons (Prix Nobel de physique 1961). Le proton est constitué d'un noyau lourd (noyau) d'un rayon de cm, avec une densité de masse et de charge élevée, portant ≈ 35 % (\displaystyle \environ 35\,\%) charge électrique du proton et de la coquille relativement raréfiée qui l'entoure. A distance de ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 0(,)25\cdot 10^(-13)) avant ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 1(,)4\cdot 10^(-13)) cm cette coquille est principalement constituée de mésons virtuels ρ - et π portant ≈ 50 % (\displaystyle \environ 50\,\%) charge électrique du proton, puis à distance ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 2(,)5\cdot 10^(-13)) cm étend une coquille de mésons ω - et π virtuels, transportant environ 15 % de la charge électrique du proton.

La pression au centre du proton créé par les quarks est d'environ 10 35 Pa (10 30 atmosphères), c'est-à-dire supérieure à la pression à l'intérieur des étoiles à neutrons.

Le moment magnétique d'un proton est mesuré en mesurant le rapport entre la fréquence de résonance de précession du moment magnétique du proton dans un champ magnétique uniforme donné et la fréquence cyclotron de l'orbite circulaire du proton dans le même champ.

Il existe trois grandeurs physiques associées à un proton qui ont la dimension de longueur :

Les mesures du rayon du proton à l'aide d'atomes d'hydrogène ordinaires, réalisées par diverses méthodes depuis les années 1960, ont conduit (CODATA -2014) au résultat 0,8751 ± 0,0061 femtomètre(1 fm = 10 −15 m). Les premières expériences avec des atomes d'hydrogène muoniques (où l'électron est remplacé par un muon) ont donné un résultat 4 % plus petit pour ce rayon : 0,84184 ± 0,00067 fm. Les raisons de cette différence ne sont pas encore claires.

La charge dite faible du proton Q w ≈ 1 − 4 péché 2 θ W, qui détermine sa participation à des interactions faibles par l'échange Z Le boson 0 (similaire à la façon dont la charge électrique d'une particule détermine sa participation aux interactions électromagnétiques en échangeant un photon) est de 0,0719 ± 0,0045, selon des mesures expérimentales de violation de parité lors de la diffusion d'électrons polarisés sur des protons. La valeur mesurée est cohérente, à l'erreur expérimentale près, avec les prédictions théoriques du modèle standard (0,0708 ± 0,0003).

La stabilité

Le proton libre est stable, les études expérimentales n'ont révélé aucun signe de sa désintégration (la limite inférieure de la durée de vie est de 2,9⋅10 29 ans quel que soit le canal de désintégration, 8,2⋅10 33 ans pour la désintégration en positron et pion neutre, 6,6⋅ 10 33 ans pour la désintégration en un muon positif et un pion neutre). Puisque le proton est le plus léger des baryons, la stabilité du proton est une conséquence de la loi de conservation du nombre de baryons - un proton ne peut pas se désintégrer en particules plus légères (par exemple, en un positron et un neutrino) sans violer cette loi. Cependant, de nombreuses extensions théoriques du modèle standard prédisent des processus (pas encore observés) qui entraîneraient une non-conservation du nombre de baryons et donc une désintégration des protons.

Un proton lié dans un noyau atomique est capable de capturer un électron de la couche électronique K, L ou M de l'atome (ce qu'on appelle « capture d'électrons »). Un proton du noyau atomique, ayant absorbé un électron, se transforme en neutron et émet simultanément un neutrino : p+e − →+ν e . Un « trou » dans la couche K, L ou M formé par capture d'électrons est rempli d'un électron provenant de l'une des couches électroniques sus-jacentes de l'atome, émettant des rayons X caractéristiques correspondant au numéro atomique. Z− 1, et/ou électrons Auger. Plus de 1000 isotopes parmi 7 sont connus
4 à 262
105, se désintégrant par capture d'électrons. À des énergies de désintégration disponibles suffisamment élevées (au-dessus 2m e c 2 ≈ 1,022 MeV) un canal de désintégration concurrent s'ouvre - désintégration des positons p → +e ++ν e . Il convient de souligner que ces processus ne sont possibles que pour un proton dans certains noyaux, où l'énergie manquante est reconstituée par la transition du neutron résultant vers une enveloppe nucléaire inférieure ; pour un proton libre ils sont interdits par la loi de conservation de l'énergie.

La source de protons en chimie sont les acides minéraux (nitrique, sulfurique, phosphorique et autres) et organiques (formique, acétique, oxalique et autres). Dans une solution aqueuse, les acides sont capables de se dissocier avec élimination d'un proton, formant un cation hydronium.

En phase gazeuse, les protons sont obtenus par ionisation - l'élimination d'un électron d'un atome d'hydrogène. Le potentiel d'ionisation d'un atome d'hydrogène non excité est de 13,595 eV. Lorsque l'hydrogène moléculaire est ionisé par des électrons rapides à pression atmosphérique et à température ambiante, l'ion hydrogène moléculaire (H 2 +) se forme initialement - un système physique constitué de deux protons maintenus ensemble à une distance de 1,06 par un électron. La stabilité d'un tel système, selon Pauling, est due à la résonance d'un électron entre deux protons avec une « fréquence de résonance » égale à 7·10 14 s −1. Lorsque la température atteint plusieurs milliers de degrés, la composition des produits d'ionisation de l'hydrogène évolue en faveur des protons - H +.

Application

voir également

Remarques

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Constantes physiques fondamentales --- Liste complète
2. Valeur CODATA : masse du proton
3. Valeur CODATA : masse du proton en u
4. Ahmed S. ; et coll. (2004). « Contraintes sur la désintégration des nucléons via les modes invisibles de l'Observatoire des neutrinos de Sudbury. » Lettres d'examen physique. 92 (10) : 102004. arXiv : hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI : 10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. Valeur CODATA : équivalent d'énergie de masse du proton en MeV
6. Valeur CODATA : rapport de masse proton-électron
7. , Avec. 67.
8. Hofstadter P. Structure des noyaux et des nucléons // Phys. - 1963. - T. 81, n° 1. - P. 185-200. -ISSN. - URL : http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Shchelkin K.I. Processus virtuels et structure du nucléon // Physique du Micromonde - M. : Atomizdat, 1965. - P. 75.
10. Jdanov G.B. Diffusion élastique, interactions périphériques et résonances // Particules de haute énergie. Hautes énergies dans l'espace et les laboratoires - M. : Nauka, 1965. - P. 132.
11. Burkert V.D., Elouadrhiri L., Girod F.X. La répartition de la pression à l'intérieur du proton // Nature. - 2018. - Mai (vol. 557, n° 7705). - P. 396-399. -DOI :10.1038/s41586-018-0060-z.
12. Bethe, G., Morrison F. Théorie élémentaire graines. - M : IL, 1956. - P. 48.

En étudiant la structure de la matière, les physiciens ont découvert de quoi sont constitués les atomes, ont atteint le noyau atomique et l'ont divisé en protons et neutrons. Toutes ces étapes ont été données assez facilement - il suffisait d'accélérer les particules jusqu'à l'énergie requise, de les pousser les unes contre les autres, puis elles se désagrégeraient elles-mêmes en leurs composants.

Mais avec les protons et les neutrons, cette astuce ne fonctionnait plus. Bien qu'ils soient particules composites, ils ne peuvent pas être « brisés en morceaux », même lors de la collision la plus violente. Par conséquent, il a fallu des décennies aux physiciens pour trouver différentes façons d’observer l’intérieur du proton, de voir sa structure et sa forme. Aujourd’hui, l’étude de la structure du proton constitue l’un des domaines les plus actifs de la physique des particules.

La nature donne des indices

L’histoire de l’étude de la structure des protons et des neutrons remonte aux années 1930. Lorsqu'en plus des protons, des neutrons furent découverts (1932), après avoir mesuré leur masse, les physiciens furent surpris de constater qu'elle était très proche de la masse d'un proton. De plus, il s’est avéré que les protons et les neutrons « ressentent » l’interaction nucléaire exactement de la même manière. Si identiques que, du point de vue des forces nucléaires, un proton et un neutron peuvent être considérés comme deux manifestations de la même particule - un nucléon : un proton est un nucléon chargé électriquement et un neutron est un nucléon neutre. Échangez des protons contre des neutrons - et forces nucléaires(presque) rien ne sera remarqué.

Les physiciens expriment cette propriété de la nature par la symétrie : l'interaction nucléaire est symétrique en ce qui concerne le remplacement des protons par des neutrons, tout comme un papillon est symétrique en ce qui concerne le remplacement de la gauche par la droite. Cette symétrie, en plus de jouer un rôle important en physique nucléaire, a en fait été le premier indice de l'existence d'un effet intéressant sur les nucléons. structure interne. Il est vrai que dans les années 30, les physiciens n'avaient pas réalisé cette allusion.

La compréhension est venue plus tard. Cela a commencé avec le fait que dans les années 1940-1950, lors de réactions de collisions de protons avec les noyaux de divers éléments, les scientifiques ont été surpris de découvrir de plus en plus de nouvelles particules. Pas des protons, pas des neutrons, pas des mésons pi découverts à cette époque, qui contiennent des nucléons dans des noyaux, mais des particules complètement nouvelles. Malgré toute leur diversité, ces nouvelles particules avaient deux les propriétés générales. Premièrement, comme les nucléons, ils participaient très volontiers aux interactions nucléaires - ces particules sont désormais appelées hadrons. Et deuxièmement, ils étaient extrêmement instables. Les plus instables d’entre elles se sont désintégrées en d’autres particules en seulement un billionième de nanoseconde, sans même avoir le temps d’atteindre la taille d’un noyau atomique !

Pendant longtemps, le « zoo » hadronique a été un véritable désastre. À la fin des années 1950, les physiciens avaient déjà beaucoup appris différents types hadrons, commença à les comparer entre eux et constata soudain une certaine symétrie générale, voire périodicité, de leurs propriétés. Il a été suggéré qu’à l’intérieur de tous les hadrons (y compris les nucléons) se trouvent des objets simples appelés « quarks ». En combinant les quarks de différentes manières, il est possible d'obtenir des hadrons différents, exactement du même type et possédant les mêmes propriétés que ceux découverts lors de l'expérience.

Qu’est-ce qui fait d’un proton un proton ?

Après que les physiciens aient découvert la structure des hadrons en quarks et appris que les quarks existent en plusieurs variétés différentes, il est devenu clair que de nombreuses particules différentes pouvaient être construites à partir des quarks. Personne n’a donc été surpris lorsque les expériences ultérieures ont continué à découvrir de nouveaux hadrons les uns après les autres. Mais parmi tous les hadrons, on a découvert toute une famille de particules, constituée, tout comme le proton, de seulement deux toi-quarks et un d-quark. Une sorte de « frère » du proton. Et ici, les physiciens allaient être surpris.

Faisons d’abord une observation simple. Si nous avons plusieurs objets constitués des mêmes « briques », alors les objets plus lourds contiennent plus de « briques » et les plus légers en contiennent moins. C'est un principe très naturel, que l'on peut appeler principe de combinaison ou principe de superstructure, et qui fonctionne parfaitement aussi bien dans Vie courante, et en physique. Il apparaît même dans l'appareil noyaux atomiques- après tout, les noyaux plus lourds sont simplement constitués de plus protons et neutrons.

Cependant, au niveau des quarks, ce principe ne fonctionne pas du tout et, il est vrai, les physiciens n'ont pas encore complètement compris pourquoi. Il s'avère que les frères lourds du proton sont également constitués des mêmes quarks que le proton, bien qu'ils soient une fois et demie voire deux fois plus lourds que le proton. Ils diffèrent du proton (et diffèrent les uns des autres) non composition, et mutuelle emplacement quarks, par l'état dans lequel ces quarks sont les uns par rapport aux autres. Il suffit de changer la position relative des quarks - et du proton nous obtiendrons une autre particule, sensiblement plus lourde.

Que se passera-t-il si vous continuez à prendre et à collecter plus de trois quarks ensemble ? Y aura-t-il une nouvelle particule lourde ? Étonnamment, cela ne fonctionnera pas : les quarks se briseront en trois et se transformeront en plusieurs particules dispersées. Pour une raison quelconque, la nature « n'aime pas » combiner de nombreux quarks en un seul ! Ce n'est que récemment, littéralement dans dernières années, des indices ont commencé à apparaître selon lesquels certaines particules multi-quarks existent, mais cela ne fait que souligner à quel point la nature ne les aime pas.

De cette combinatoire découle une conclusion très importante et profonde : la masse des hadrons n'est pas du tout constituée de la masse des quarks. Mais si la masse d’un hadron peut être augmentée ou diminuée par simple recombinaison de ses briques constitutives, alors ce ne sont pas les quarks eux-mêmes qui sont responsables de la masse des hadrons. Et en effet, lors d'expériences ultérieures, il a été possible de découvrir que la masse des quarks eux-mêmes ne représente qu'environ deux pour cent de la masse du proton, et que le reste de la gravité résulte du champ de force (particules spéciales - gluons) qui lier les quarks ensemble. En modifiant la position relative des quarks, par exemple en les éloignant les uns des autres, nous modifions ainsi le nuage de gluons, le rendant plus massif, c'est pourquoi la masse des hadrons augmente (Fig. 1).

Que se passe-t-il à l’intérieur d’un proton en mouvement rapide ?

Tout ce qui est décrit ci-dessus concerne un proton stationnaire ; dans le langage des physiciens, c'est la structure du proton dans son référentiel de repos. Cependant, dans l'expérience, la structure du proton a été découverte pour la première fois dans d'autres conditions - à l'intérieur vol rapide proton.

À la fin des années 1960, lors d'expériences sur les collisions de particules dans des accélérateurs, il a été remarqué que les protons se déplaçant à une vitesse proche de la lumière se comportaient comme si l'énergie qu'ils contenaient n'était pas répartie uniformément, mais était concentrée dans des objets compacts individuels. Le célèbre physicien Richard Feynman a proposé d'appeler ces amas de matière à l'intérieur de protons partons(de l'anglais partie - Partie).

Des expériences ultérieures ont examiné de nombreuses propriétés des partons, par exemple leur charge électrique, leur nombre et la fraction d'énergie protonique que chacun transporte. Il s'avère que les partons chargés sont des quarks et les partons neutres sont des gluons. Oui, ces mêmes gluons qui, dans le cadre de repos du proton, «servaient» simplement les quarks, les attirant les uns vers les autres, sont désormais des partons indépendants et, avec les quarks, transportent la «matière» et l'énergie d'un proton en mouvement rapide. Des expériences ont montré qu'environ la moitié de l'énergie est stockée dans les quarks et l'autre moitié dans les gluons.

Les partons sont plus facilement étudiés dans les collisions de protons avec des électrons. Le fait est que, contrairement à un proton, un électron ne participe pas à des interactions nucléaires fortes et sa collision avec un proton semble très simple : l'électron est très un bref délaisémet un photon virtuel, qui s'écrase sur un parton chargé et génère finalement grand nombre particules (Fig. 2). On peut dire que l'électron est un excellent scalpel pour « ouvrir » le proton et le diviser en parties séparées - mais seulement pour un temps très court. Connaissant la fréquence à laquelle de tels processus se produisent dans un accélérateur, on peut mesurer le nombre de partons à l'intérieur d'un proton et leurs charges.

Qui sont vraiment les Parton ?

Et nous arrivons ici à une autre découverte étonnante que les physiciens ont faite en étudiant les collisions de particules élémentaires à haute énergie.

Dans des conditions normales, la question de savoir en quoi consiste tel ou tel objet a une réponse universelle pour tous les systèmes de référence. Par exemple, une molécule d'eau est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène - et peu importe que nous regardions une molécule stationnaire ou en mouvement. Pourtant, cette règle semble tellement naturelle ! - est violé si nous parlons de sur les particules élémentaires se déplaçant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Dans un référentiel, une particule complexe peut être constituée d’un ensemble de sous-particules, et dans un autre référentiel, d’un autre. Il se trouve que la composition est un concept relatif!

Comment se peut-il? La clé ici est une chose propriété importante: Le nombre de particules dans notre monde n'est pas fixe - les particules peuvent naître et disparaître. Par exemple, si vous rapprochez deux électrons avec une énergie suffisamment élevée, alors en plus de ces deux électrons, soit un photon, soit une paire électron-positon, soit d'autres particules peuvent naître. Tout cela est permis par les lois quantiques, et c'est exactement ce qui se passe dans les expériences réelles.

Mais cette « loi de non-conservation » des particules fonctionne en cas de collision particules. Comment se fait-il que le même proton, de différents points de vue, semble être constitué d'un ensemble différent de particules ? Le fait est qu’un proton n’est pas simplement constitué de trois quarks réunis. Il existe un champ de force de gluons entre les quarks. En général, un champ de force (tel qu’un champ gravitationnel ou électrique) est une sorte d’« entité » matérielle qui imprègne l’espace et permet aux particules d’exercer une forte influence les unes sur les autres. DANS théorie des quanta le champ est également constitué de particules, bien que spéciales - virtuelles. Le nombre de ces particules n’est pas fixe ; elles « bourgeonnent » constamment à partir des quarks et sont absorbées par d’autres quarks.

Repos Un proton peut en réalité être considéré comme trois quarks avec des gluons sautant entre eux. Mais si nous regardons le même proton depuis un cadre de référence différent, comme depuis la fenêtre d’un « train relativiste » qui passe, nous verrons une image complètement différente. Les gluons virtuels qui collaient les quarks ensemble sembleront des particules moins virtuelles, « plus réelles ». Bien sûr, ils naissent toujours et sont absorbés par les quarks, mais en même temps, ils vivent seuls pendant un certain temps, volant à côté des quarks, comme de vraies particules. Ce qui paraît simple champ de force dans un référentiel, se transforme en un flux de particules dans un autre référentiel ! Notez que nous ne touchons pas le proton lui-même, mais le regardons uniquement depuis un cadre de référence différent.

En outre. Plus la vitesse de notre « train relativiste » est proche de la vitesse de la lumière, plus l’image que nous verrons à l’intérieur du proton sera étonnante. À mesure que l’on s’approche de la vitesse de la lumière, on remarquera qu’il y a de plus en plus de gluons à l’intérieur du proton. De plus, ils se divisent parfois en paires quark-antiquark, qui volent également à proximité et sont également considérées comme des partons. De ce fait, un proton ultrarelativiste, c'est-à-dire un proton se déplaçant par rapport à nous à une vitesse très proche de la vitesse de la lumière, apparaît sous la forme de nuages ​​​​interpénétrés de quarks, d'antiquarks et de gluons qui volent ensemble et semblent se soutenir (Fig. 3).

Un lecteur familier avec la théorie de la relativité peut être inquiet. Toute physique est basée sur le principe selon lequel tout processus se déroule de la même manière dans tous les domaines. systèmes inertiels compte à rebours. Mais il s’avère que la composition du proton dépend du référentiel à partir duquel on l’observe ?!

Oui, exactement, mais cela ne viole en rien le principe de relativité. Les résultats des processus physiques - par exemple, quelles particules et combien sont produites à la suite d'une collision - s'avèrent invariants, bien que la composition du proton dépende du cadre de référence.

Cette situation, inhabituelle à première vue, mais satisfaisant toutes les lois de la physique, est illustrée schématiquement sur la figure 4. Elle montre à quoi ressemble la collision de deux protons à haute énergie dans différents référentiels : dans le référentiel de repos d'un proton, dans le référentiel du centre de masse, dans le référentiel de repos d'un autre proton. L'interaction entre les protons s'effectue à travers une cascade de gluons qui se divisent, mais seulement dans un cas cette cascade est considérée comme « l'intérieur » d'un proton, dans un autre cas, elle est considérée comme faisant partie d'un autre proton, et dans le troisième, c'est simplement une sorte de objet échangé entre deux protons. Cette cascade existe, elle est réelle, mais à quelle partie du processus elle doit être attribuée dépend du référentiel.

Portrait 3D d'un proton

Tous les résultats dont nous venons de parler étaient basés sur des expériences réalisées il y a assez longtemps - dans les années 60-70 du siècle dernier. Il semblerait que depuis lors, tout aurait dû être étudié et toutes les questions auraient dû trouver leur réponse. Mais non, la structure du proton reste l’un des sujets les plus intéressants de la physique des particules. De plus, son intérêt s'est encore accru ces dernières années, car les physiciens ont compris comment obtenir un portrait « tridimensionnel » d'un proton se déplaçant rapidement, ce qui s'est avéré beaucoup plus difficile que le portrait d'un proton stationnaire.

Les expériences classiques sur les collisions de protons ne renseignent que sur le nombre de partons et leur répartition énergétique. Dans de telles expériences, les partons participent en tant qu'objets indépendants, ce qui signifie qu'il est impossible de découvrir à partir d'eux comment les partons sont situés les uns par rapport aux autres, ni comment ils s'additionnent exactement pour former un proton. On peut dire que pendant longtemps, seul un portrait « unidimensionnel » d’un proton se déplaçant rapidement était à la disposition des physiciens.

Afin de construire un véritable portrait tridimensionnel d'un proton et de connaître la répartition des partons dans l'espace, des expériences beaucoup plus subtiles sont nécessaires que celles qui étaient possibles il y a 40 ans. Les physiciens ont appris à réaliser de telles expériences assez récemment, littéralement la dernière décennie. Ils ont réalisé que parmi énorme montant Parmi les différentes réactions qui se produisent lorsqu'un électron entre en collision avec un proton, il existe une réaction spéciale : diffusion Compton virtuelle profonde, - ce qui peut nous renseigner sur la structure tridimensionnelle du proton.

De manière générale, la diffusion Compton, ou effet Compton, est la collision élastique d'un photon avec une particule, par exemple un proton. Cela ressemble à ceci : un photon arrive, est absorbé par un proton, qui entre pendant une courte période dans un état excité, puis revient à son état d'origine, émettant un photon dans une certaine direction.

La diffusion Compton des photons de lumière ordinaires ne conduit à rien d'intéressant - c'est simplement la réflexion de la lumière d'un proton. Pour que la structure interne du proton « entre en jeu » et que la distribution des quarks soit « ressentie », il est nécessaire d'utiliser des photons de très haute énergie - des milliards de fois plus que dans la lumière ordinaire. Et ce sont précisément ces photons, même virtuels, qui sont facilement générés par un électron incident. Si nous combinons maintenant l’un avec l’autre, nous obtenons une diffusion Compton virtuelle profonde (Fig. 5).

La principale caractéristique de cette réaction est qu’elle ne détruit pas le proton. Le photon incident ne frappe pas seulement le proton, mais, pour ainsi dire, le palpe soigneusement puis s'envole. La direction dans laquelle il s'envole et la part de l'énergie que le proton lui enlève dépendent de la structure du proton, de position relative partons à l'intérieur. C’est pourquoi, en étudiant ce processus, il est possible de restituer l’aspect tridimensionnel du proton, comme pour « sculpter sa sculpture ».

Il est vrai que cela est très difficile à réaliser pour un physicien expérimentateur. Le processus requis est assez rare et il est difficile de l'enregistrer. Les premières données expérimentales sur cette réaction n'ont été obtenues qu'en 2001 à l'accélérateur HERA du complexe d'accélérateurs allemand DESY à Hambourg ; une nouvelle série de données est actuellement traitée par les expérimentateurs. Cependant, dès aujourd’hui, sur la base des premières données, les théoriciens dessinent des distributions tridimensionnelles des quarks et des gluons dans le proton. Quantité physique, sur lequel les physiciens n'avaient auparavant fait que des hypothèses, a finalement commencé à « émerger » de l'expérience.

Y a-t-il des découvertes inattendues qui nous attendent dans ce domaine ? Il est probable que oui. Pour illustrer cela, disons qu'en novembre 2008, un article théorique intéressant est paru, selon lequel un proton se déplaçant rapidement ne devrait pas ressembler à un disque plat, mais à une lentille biconcave. Cela se produit parce que les partons situés dans la région centrale du proton sont plus fortement comprimés dans le sens longitudinal que les partons situés sur les bords. Il serait très intéressant de tester expérimentalement ces prédictions théoriques !

Pourquoi tout cela intéresse-t-il les physiciens ?

Pourquoi les physiciens ont-ils besoin de savoir exactement comment la matière est distribuée à l’intérieur des protons et des neutrons ?

Premièrement, cela est requis par la logique même du développement de la physique. Il y a beaucoup de choses étonnantes dans le monde systèmes complexes, à laquelle la physique théorique moderne ne peut pas encore pleinement faire face. Les hadrons sont l'un de ces systèmes. En comprenant la structure des hadrons, nous perfectionnons les capacités de la physique théorique, qui pourraient bien s'avérer universelles et contribueront peut-être à quelque chose de complètement différent, par exemple dans l'étude des supraconducteurs ou d'autres matériaux aux propriétés inhabituelles.

Deuxièmement, cela présente un bénéfice direct pour la physique nucléaire. Malgré l'histoire de près d'un siècle d'étude des noyaux atomiques, les théoriciens ne connaissent toujours pas la loi exacte de l'interaction entre les protons et les neutrons.

Ils doivent en partie deviner cette loi sur la base de données expérimentales et en partie la construire sur la base de leurs connaissances sur la structure des nucléons. C’est là que de nouvelles données sur la structure tridimensionnelle des nucléons seront utiles.

Troisièmement, il y a quelques années, les physiciens ont pu obtenir rien de moins que de nouveaux état d'agrégation substances - plasma quark-gluon. Dans cet état, les quarks ne se trouvent pas à l’intérieur de protons et de neutrons individuels, mais se déplacent librement dans tout l’amas de matière nucléaire. Ceci peut être réalisé, par exemple, comme ceci : des noyaux lourds sont accélérés dans un accélérateur jusqu'à une vitesse très proche de la vitesse de la lumière, puis entrent en collision frontale. Lors de cette collision, des températures de plusieurs milliards de degrés apparaissent pendant une très courte période, ce qui fait fondre les noyaux en un plasma de quarks et de gluons. Il s’avère donc que les calculs théoriques de cette fusion nucléaire nécessitent une bonne connaissance de la structure tridimensionnelle des nucléons.

Enfin, ces données sont très nécessaires à l'astrophysique. Lorsque des étoiles lourdes explosent à la fin de leur vie, elles laissent souvent derrière elles des objets extrêmement compacts – des étoiles à neutrons et éventuellement des quarks. Le noyau de ces étoiles est entièrement constitué de neutrons, et peut-être même de plasma froid de quarks et de gluons. De telles étoiles ont été découvertes depuis longtemps, mais on ne peut que deviner ce qui se passe à l'intérieur d'elles. Ainsi, une bonne compréhension de la distribution des quarks peut conduire à des progrès en astrophysique.

DÉFINITION

Proton appelé particule stable appartenant à la classe des hadrons, qui est le noyau d’un atome d’hydrogène.

Les scientifiques ne sont pas d’accord sur l’événement scientifique à considérer comme la découverte du proton. Un rôle important dans la découverte du proton a été joué par :

1. création d'un modèle planétaire de l'atome par E. Rutherford ;
2. découverte des isotopes par F. Soddy, J. Thomson, F. Aston ;
3. observations du comportement des noyaux des atomes d'hydrogène lorsqu'ils sont éliminés par les particules alpha des noyaux d'azote par E. Rutherford.

Les premières photographies de traces de protons ont été obtenues par P. Blackett dans une chambre à brouillard alors qu'il étudiait les processus de transformation artificielle des éléments. Blackett a étudié le processus de capture des particules alpha par les noyaux d'azote. Au cours de ce processus, un proton a été émis et le noyau d’azote a été converti en un isotope de l’oxygène.

Les protons, avec les neutrons, font partie des noyaux de tous les éléments chimiques. Le nombre de protons dans le noyau détermine le numéro atomique de l'élément dans tableau périodique DI. Mendeleïev.

Un proton est une particule chargée positivement. Sa charge est égale en grandeur à la charge élémentaire, c'est-à-dire la valeur de la charge électronique. La charge d'un proton est souvent notée , alors on peut écrire que :

On pense actuellement que le proton n’est pas une particule élémentaire. Il a une structure complexe et se compose de deux quarks u et d'un quark d. Charge électrique u - quark() est positif et il est égal à

La charge électrique d'un quark d() est négative et égale à :

Les quarks relient les échanges de gluons, qui sont des quanta de champ ; ils subissent une forte interaction. Le fait que les protons aient plusieurs centres de diffusion ponctuels dans leur structure est confirmé par des expériences sur la diffusion des électrons par les protons.

Le proton a une taille finie, sur laquelle les scientifiques se disputent encore. Actuellement, le proton est représenté comme un nuage dont les limites sont floues. Une telle frontière consiste en des particules virtuelles qui émergent et s’annihilent constamment. Mais dans la plupart tâches simples Bien entendu, un proton peut être considéré comme une charge ponctuelle. La masse au repos d'un proton () est approximativement égale à :

La masse d’un proton est 1836 fois supérieure à celle d’un électron.

Les protons participent à tout interactions fondamentales: des interactions fortes unissent protons et neutrons en noyaux, électrons et protons s'unissent en atomes grâce à des interactions électromagnétiques. Comme interaction faible, on peut citer par exemple la désintégration bêta d'un neutron (n) :

où p est un proton ; — électron; - antineutrino.

La désintégration du proton n’a pas encore été obtenue. C’est l’un des problèmes modernes les plus importants de la physique, car cette découverte constituerait une étape importante dans la compréhension de l’unité des forces de la nature.

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

Exercice	Les noyaux de l'atome de sodium sont bombardés de protons. Quelle est la force de répulsion électrostatique d'un proton du noyau d'un atome si le proton est à distance m. Considérons que la charge du noyau d'un atome de sodium est 11 fois supérieure à la charge d'un proton. Influence couche électronique l'atome de sodium n'a pas besoin d'être lu.
Solution	Comme base pour résoudre le problème, nous prendrons la loi de Coulomb, qui peut être écrite pour notre problème (en supposant que les particules sont ponctuelles) comme suit : où F est la force d'interaction électrostatique des particules chargées ; Cl est la charge du proton ; - charge du noyau de l'atome de sodium ; - constante diélectrique du vide ; - constante électrique. En utilisant les données dont nous disposons, nous pouvons calculer la force répulsive requise :
Répondre	N

EXEMPLE 2

Exercice

En considérant le modèle le plus simple de l'atome d'hydrogène, on pense que l'électron se déplace sur une orbite circulaire autour du proton (le noyau de l'atome d'hydrogène). Quelle est la vitesse d’un électron si le rayon de son orbite est m ?

Solution

Considérons les forces (Fig. 1) qui agissent sur un électron se déplaçant en cercle. C'est la force d'attraction du proton. D'après la loi de Coulomb, on écrit que sa valeur est égale à () : où =— charge électronique ; - charge de protons ; - constante électrique. La force d’attraction entre un électron et un proton en tout point de l’orbite de l’électron est dirigée de l’électron vers le proton le long du rayon du cercle.