Protoni sudjeluju u termonuklearnim reakcijama, koje su glavni izvor energije koju stvaraju zvijezde. Konkretno, reakcije str-ciklus, koji je izvor gotovo sve energije koju emitira Sunce, svodi se na spajanje četiri protona u jezgru helija-4 uz pretvaranje dva protona u neutrone.

U fizici se označava proton str(ili str+ ). Kemijska oznaka protona (smatra se pozitivnim vodikovim ionom) je H +, astrofizička oznaka je HII.

Otvor [ | ]

Svojstva protona[ | ]

Omjer masa protona i elektrona, jednak 1836,152 673 89(17), s točnošću od 0,002% jednak je vrijednosti 6π 5 = 1836,118…

Unutarnju strukturu protona prvi je eksperimentalno proučavao R. Hofstadter proučavajući sudare snopa elektrona visoke energije (2 GeV) s protonima ( Nobelova nagrada iz fizike 1961). Proton se sastoji od teške jezgre (jezgre) polumjera cm, velike gustoće mase i naboja, nosi ≈ 35% (\displaystyle \približno 35\%) električni naboj protona i relativno rijetke ljuske koja ga okružuje. Na udaljenosti od ≈ 0, 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \približno 0,25\cdot 10^(-13)) prije ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \približno 1,4\cdot 10^(-13)) cm ova se ljuska sastoji uglavnom od virtualnih ρ - i π -mezona koji nose ≈ 50% (\displaystyle \približno 50\%) električni naboj protona, zatim na udaljenost ≈ 2, 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \približno 2,5\cdot 10^(-13)) cm proteže ljusku virtualnih ω - i π -mezona, noseći ~15% električnog naboja protona.

Tlak u središtu protona koji stvaraju kvarkovi je oko 10 35 Pa (10 30 atmosfera), što je više od tlaka unutar neutronske zvijezde.

Magnetski moment protona mjeri se mjerenjem omjera rezonantne precesijske frekvencije magnetski moment protona u zadanom jednoličnom magnetskom polju i ciklotronsku frekvenciju kruženja protona u kružnoj orbiti u istom polju.

Postoje tri fizičke veličine povezane s protonom koje imaju dimenziju duljine:

Mjerenja radijusa protona korištenjem običnih vodikovih atoma, provedena različitim metodama od 1960-ih, dovela su (CODATA -2014) do rezultata 0,8751 ± 0,0061 femtometar(1 fm = 10 −15 m). Prvi eksperimenti s mionskim atomima vodika (gdje je elektron zamijenjen mionom) dali su 4% manji rezultat za ovaj radijus: 0,84184 ± 0,00067 fm. Razlozi za ovu razliku još uvijek nisu jasni.

Proton tzv Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, što određuje njegovo sudjelovanje u slabim interakcijama kroz razmjenu Z 0 bozon (slično kao što električni naboj čestice određuje njezino sudjelovanje u elektromagnetskim interakcijama putem izmjene fotona), iznosi 0,0719 ± 0,0045, prema eksperimentalna mjerenja narušavanje pariteta tijekom raspršenja polariziranih elektrona na protonima. Izmjerena vrijednost je u skladu, unutar eksperimentalne pogreške, s teoretskim predviđanjima Standardnog modela (0,0708 ± 0,0003).

Stabilnost [ | ]

Slobodan proton je stabilan, eksperimentalne studije nije otkrio nikakve znakove njegovog raspada (donja granica životnog vijeka je 2,9⋅10 29 godina bez obzira na kanal raspada, 8,2⋅10 33 godine za raspad u pozitron i neutralni pion, 6,6⋅10 33 godine za raspad u pozitivni mion i neutralni pion). Budući da je proton najlakši od bariona, stabilnost protona je posljedica zakona očuvanja barionskog broja - proton se ne može raspasti na bilo koju lakšu česticu (na primjer, na pozitron i neutrino) bez kršenja ovog zakona. Međutim, mnoga teorijska proširenja Standardnog modela predviđaju procese (koji još nisu uočeni) koji bi rezultirali neočuvanjem barionskog broja i stoga raspadom protona.

Proton vezan u atomskoj jezgri sposoban je zarobiti elektron iz elektronske K-, L- ili M-ljuske atoma (tzv. "hvatanje elektrona"). Proton atomske jezgre, apsorbirajući elektron, pretvara se u neutron i istovremeno emitira neutrino: p+e − →+ν e . "Rupa" u K-, L- ili M-sloju nastala hvatanjem elektrona ispunjena je elektronom iz jednog od gornjih elektronskih slojeva atoma, emitirajući karakteristične X-zrake koje odgovaraju atomskom broju Z− 1, i/ili Auger elektroni. Poznato je preko 1000 izotopa od 7
4 do 262
105, raspadajući se hvatanjem elektrona. Pri dovoljno visokim raspoloživim energijama raspada (gore 2m e c 2 ≈ 1,022 MeV) otvara se konkurentski kanal raspada – raspad pozitrona p → +e ++ν e . Treba naglasiti da su ti procesi mogući samo za proton u nekim jezgrama, gdje se nedostajuća energija nadoknađuje prijelazom nastalog neutrona u nižu nuklearnu ljusku; za slobodni proton one su zabranjene zakonom održanja energije.

Izvor protona u kemiji su mineralne (dušična, sumporna, fosforna i druge) i organske (mravlja, octena, oksalna i druge) kiseline. U Vodena otopina kiseline su sposobne disocijacije uz eliminaciju protona, tvoreći hidronijev kation.

U plinovitoj fazi protoni se dobivaju ionizacijom – oduzimanjem elektrona atomu vodika. Potencijal ionizacije nepobuđenog atoma vodika je 13,595 eV. Kada se molekularni vodik ionizira brzim elektronima pri atmosferski pritisak i sobnoj temperaturi, na početku se formira molekularni ion vodika (H 2 +) - fizički sustav, koji se sastoji od dva protona koje jedan elektron drži zajedno na udaljenosti od 1,06. Stabilnost takvog sustava, prema Paulingu, uzrokovana je rezonancijom elektrona između dva protona s "rezonantnom frekvencijom" jednakom 7·10 14 s −1. Kada temperatura poraste na nekoliko tisuća stupnjeva, sastav produkata ionizacije vodika mijenja se u korist protona - H+.

Primjena [ | ]

Snopovi ubrzanih protona koriste se u eksperimentalnoj fizici elementarnih čestica (proučavanje procesa raspršenja i proizvodnje snopova drugih čestica), u medicini (protonska terapija raka).

vidi također [ | ]

Bilješke [ | ]

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Osnovne fizikalne konstante --- Potpuni popis
2. CODATA Vrijednost: masa protona
3. CODATA Vrijednost: masa protona u u
4. Ahmed S.; et al. (2004). “Ograničenja raspada nukleona putem nevidljivih modova iz neutrinskog opservatorija Sudbury.” Physical Review Letters. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. CODATA Vrijednost: ekvivalent energije mase protona u MeV
6. CODATA Vrijednost: omjer mase protona i elektrona
7. , sa. 67.
8. Hofstadter P. Struktura jezgri i nukleona // Phys. - 1963. - T. 81, br. 1. - P. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Ščelkin K. I. Virtualni procesi i struktura nukleona // Fizika mikrosvijeta - M.: Atomizdat, 1965. - S. 75.
10. Elastično raspršenje, periferne interakcije i rezonancije // High Energy Particles. Visoke energije u svemiru i laboratorijima - M.: Nauka, 1965. - S. 132.

Vodik, element koji ima najjednostavniju strukturu. Ima pozitivan naboj i gotovo neograničen vijek trajanja. To je najstabilnija čestica u svemiru. Protoni proizvedeni Velikim praskom još se nisu raspali. Masa protona je 1,627*10-27 kg ili 938,272 eV. Češće se ova vrijednost izražava u elektronvoltima.

Proton je otkrio “otac” nuklearne fizike, Ernest Rutherford. Postavio je hipotezu da jezgre svih atoma kemijski elementi sastoje se od protona, budući da njihova masa premašuje jezgru atoma vodika cijeli broj puta. Rutherfordov set zanimljivo iskustvo. U to je vrijeme već bila otkrivena prirodna radioaktivnost nekih elemenata. Koristeći alfa zračenje (alfa čestice su visokoenergetske jezgre helija), znanstvenik je ozračio atome dušika. Kao rezultat ove interakcije, čestica je izletjela. Rutherford je sugerirao da se radi o protonu. Daljnji pokusi u Wilsonovoj komori s mjehurićima potvrdili su njegovu pretpostavku. Tako je 1913. godine otkrivena nova čestica, ali se Rutherfordova hipoteza o sastavu jezgre pokazala neodrživom.

Otkriće neutrona

Veliki znanstvenik pronašao je pogrešku u svojim proračunima i iznio hipotezu o postojanju još jedne čestice koja je dio jezgre i ima gotovo istu masu kao proton. Eksperimentalno, nije ga mogao otkriti.

To je 1932. učinio engleski znanstvenik James Chadwick. Proveo je eksperiment u kojem je bombardirao atome berilija alfa česticama visoke energije. Kao rezultat nuklearna reakcijaČestica, kasnije nazvana neutron, izletjela je iz jezgre berilija. Za svoje otkriće Chadwick je tri godine kasnije dobio Nobelovu nagradu.

Masa neutrona doista se malo razlikuje od mase protona (1,622 * 10-27 kg), ali ta čestica nema naboj. U tom smislu, on je neutralan, au isto vrijeme sposoban izazvati fisiju teških jezgri. Zbog nedostatka naboja, neutron može lako proći kroz visoku Coulombovu potencijalnu barijeru i prodrijeti u strukturu jezgre.

Proton i neutron imaju kvantna svojstva (mogu pokazivati ​​svojstva čestica i valova). Neutronsko zračenje koristi se u medicinske svrhe. Visoka sposobnost prodora omogućuje ovom zračenju da ionizira duboko smještene tumore i druge zloćudne tvorevine te ih otkrije. U ovom slučaju, energija čestice je relativno niska.

Neutron je, za razliku od protona, nestabilna čestica. Životni vijek mu je oko 900 sekundi. Raspada se na proton, elektron i elektronski neutrino.

, elektromagnetski i gravitacijski

Protoni sudjeluju u termonuklearnim reakcijama, koje su glavni izvor energije koju stvaraju zvijezde. Konkretno, reakcije str-ciklus, koji je izvor gotovo sve energije koju emitira Sunce, svodi se na spajanje četiri protona u jezgru helija-4 uz pretvaranje dva protona u neutrone.

U fizici se označava proton str(ili str+ ). Kemijska oznaka protona (smatra se pozitivnim vodikovim ionom) je H +, astrofizička oznaka je HII.

Otvor

Svojstva protona

Omjer masa protona i elektrona, jednak 1836,152 673 89(17), s točnošću od 0,002% jednak je vrijednosti 6π 5 = 1836,118…

Unutarnju strukturu protona prvi je eksperimentalno proučavao R. Hofstadter proučavajući sudare snopa elektrona visoke energije (2 GeV) s protonima (Nobelova nagrada za fiziku 1961.). Proton se sastoji od teške jezgre (jezgre) polumjera cm, velike gustoće mase i naboja, nosi ≈ 35% (\displaystyle \približno 35\,\%) električni naboj protona i relativno rijetke ljuske koja ga okružuje. Na udaljenosti od ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 0(,)25\cdot 10^(-13)) prije ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \približno 1(,)4\cdot 10^(-13)) cm ova se ljuska sastoji uglavnom od virtualnih ρ - i π -mezona koji nose ≈ 50% (\displaystyle \približno 50\,\%) električni naboj protona, zatim na udaljenost ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \približno 2(,)5\cdot 10^(-13)) cm proteže ljusku virtualnih ω - i π -mezona, noseći ~15% električnog naboja protona.

Tlak u središtu protona koji stvaraju kvarkovi je oko 10 35 Pa (10 30 atmosfera), što je više od tlaka unutar neutronskih zvijezda.

Magnetski moment protona mjeri se mjerenjem omjera rezonantne frekvencije precesije magnetskog momenta protona u danom jednoličnom magnetskom polju i ciklotronske frekvencije protonove kružne putanje u istom polju.

Postoje tri fizičke veličine povezane s protonom koje imaju dimenziju duljine:

Mjerenja radijusa protona korištenjem običnih vodikovih atoma, provedena različitim metodama od 1960-ih, dovela su (CODATA -2014) do rezultata 0,8751 ± 0,0061 femtometar(1 fm = 10 −15 m). Prvi eksperimenti s mionskim atomima vodika (gdje je elektron zamijenjen mionom) dali su 4% manji rezultat za ovaj radijus: 0,84184 ± 0,00067 fm. Razlozi za ovu razliku još uvijek nisu jasni.

Takozvani slabi naboj protona Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, što određuje njegovo sudjelovanje u slabim interakcijama kroz razmjenu Z 0 bozona (slično kao što električni naboj čestice određuje njezino sudjelovanje u elektromagnetskim interakcijama razmjenom fotona) iznosi 0,0719 ± 0,0045, prema eksperimentalnim mjerenjima narušavanja pariteta tijekom raspršenja polariziranih elektrona na protonima. Izmjerena vrijednost je u skladu, unutar eksperimentalne pogreške, s teoretskim predviđanjima Standardnog modela (0,0708 ± 0,0003).

Stabilnost

Slobodni proton je stabilan, eksperimentalne studije nisu otkrile nikakve znakove njegovog raspada (donja granica vijeka je 2,9⋅10 29 godina bez obzira na kanal raspada, 8,2⋅10 33 godine za raspad na pozitron i neutralni pion, 6,6⋅ 10 33 godine za raspad na pozitivan mion i neutralni pion). Budući da je proton najlakši od bariona, stabilnost protona je posljedica zakona očuvanja barionskog broja - proton se ne može raspasti na bilo koju lakšu česticu (na primjer, na pozitron i neutrino) bez kršenja ovog zakona. Međutim, mnoga teorijska proširenja Standardnog modela predviđaju procese (koji još nisu uočeni) koji bi rezultirali neočuvanjem barionskog broja i stoga raspadom protona.

Proton vezan u atomskoj jezgri sposoban je zarobiti elektron iz elektronske K-, L- ili M-ljuske atoma (tzv. "hvatanje elektrona"). Proton atomske jezgre, apsorbirajući elektron, pretvara se u neutron i istovremeno emitira neutrino: p+e − →+ν e . "Rupa" u K-, L- ili M-sloju nastala hvatanjem elektrona ispunjena je elektronom iz jednog od gornjih elektronskih slojeva atoma, emitirajući karakteristične X-zrake koje odgovaraju atomskom broju Z− 1, i/ili Auger elektroni. Poznato je preko 1000 izotopa od 7
4 do 262
105, raspadajući se hvatanjem elektrona. Pri dovoljno visokim raspoloživim energijama raspada (gore 2m e c 2 ≈ 1,022 MeV) otvara se konkurentski kanal raspada – raspad pozitrona p → +e ++ν e . Treba naglasiti da su ti procesi mogući samo za proton u nekim jezgrama, gdje se nedostajuća energija nadoknađuje prijelazom nastalog neutrona u nižu nuklearnu ljusku; za slobodni proton one su zabranjene zakonom održanja energije.

Izvor protona u kemiji su mineralne (dušična, sumporna, fosforna i druge) i organske (mravlja, octena, oksalna i druge) kiseline. U vodenoj otopini, kiseline su sposobne disocijacije uz eliminaciju protona, tvoreći hidronijev kation.

U plinovitoj fazi protoni se dobivaju ionizacijom – oduzimanjem elektrona atomu vodika. Potencijal ionizacije nepobuđenog atoma vodika je 13,595 eV. Kada se molekularni vodik ionizira brzim elektronima pri atmosferskom tlaku i sobnoj temperaturi, početno se formira molekularni vodikov ion (H 2 +) - fizički sustav koji se sastoji od dva protona koji se drže zajedno na udaljenosti od 1,06 jednim elektronom. Stabilnost takvog sustava, prema Paulingu, uzrokovana je rezonancijom elektrona između dva protona s "rezonantnom frekvencijom" jednakom 7·10 14 s −1. Kada temperatura poraste na nekoliko tisuća stupnjeva, sastav produkata ionizacije vodika mijenja se u korist protona - H+.

Primjena

vidi također

Bilješke

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Osnovne fizikalne konstante --- Potpuni popis
2. CODATA Vrijednost: masa protona
3. CODATA Vrijednost: masa protona u u
4. Ahmed S.; et al. (2004). “Ograničenja raspada nukleona putem nevidljivih modova iz neutrinskog opservatorija Sudbury.” Physical Review Letters. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. CODATA Vrijednost: ekvivalent energije mase protona u MeV
6. CODATA Vrijednost: omjer mase protona i elektrona
7. , sa. 67.
8. Hofstadter P. Struktura jezgri i nukleona // Phys. - 1963. - T. 81, br. 1. - P. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Ščelkin K. I. Virtualni procesi i struktura nukleona // Fizika mikrosvijeta - M.: Atomizdat, 1965. - S. 75.
10. Ždanov G. B. Elastično raspršenje, periferne interakcije i rezonancije // High Energy Particles. Visoke energije u svemiru i laboratorijima - M.: Nauka, 1965. - S. 132.
11. Burkert V. D., Elouadrhiri L., Girod F. X. Raspodjela tlaka unutar protona // Nature. - 2018. - Svibanj (vol. 557, br. 7705). - Str. 396-399. - DOI:10.1038/s41586-018-0060-z.
12. Bethe, G., Morrison F. Elementarna teorija jezgre. - M: IL, 1956. - Str. 48.

Proučavajući strukturu materije, fizičari su otkrili od čega se sastoje atomi, došli do atomske jezgre i razdvojili je na protone i neutrone. Svi ovi koraci bili su zadani prilično lako - samo je trebalo ubrzati čestice do potrebne energije, gurnuti ih jednu o drugu, a onda bi se one same raspale na svoje sastavne dijelove.

Ali s protonima i neutronima ovaj trik više nije radio. Iako jesu kompozitne čestice, ne mogu se "razbiti na komade" čak ni u najžešćem sudaru. Stoga su fizičarima bila potrebna desetljeća da dođu do različitih načina da pogledaju unutar protona, vide njegovu strukturu i oblik. Danas je proučavanje strukture protona jedno od najaktivnijih područja fizike čestica.

Priroda daje savjete

Povijest proučavanja strukture protona i neutrona seže u tridesete godine prošlog stoljeća. Kada su osim protona otkriveni i neutroni (1932.), izmjerivši njihovu masu, fizičari su s iznenađenjem ustanovili da je ona vrlo blizu masi protona. Štoviše, pokazalo se da protoni i neutroni "osjećaju" nuklearnu interakciju na potpuno isti način. Toliko istovjetni da se, sa stajališta nuklearnih sila, proton i neutron mogu smatrati dvjema manifestacijama iste čestice - nukleona: proton je električki nabijen nukleon, a neutron je neutralni nukleon. Zamijenite protone neutronima - i nuklearne sile(skoro) ništa se neće primijetiti.

Fizičari izražavaju ovo svojstvo prirode kao simetriju - nuklearno međudjelovanje je simetrično u odnosu na zamjenu protona neutronima, kao što je leptir simetričan u odnosu na zamjenu lijevo desno. Ova simetrija, osim što igra važnu ulogu u nuklearnoj fizici, zapravo je bila prva naznaka da nukleoni imaju zanimljivu unutarnja struktura. Istina, tada, u 30-ima, fizičari nisu shvatili ovu naznaku.

Razumijevanje je došlo kasnije. Počelo je s činjenicom da su 1940–50-ih godina, u reakcijama sudara protona s jezgrama različitih elemenata, znanstvenici bili iznenađeni otkrivanjem sve više i više novih čestica. Ne protoni, ne neutroni, ne do tada otkriveni pi-mezoni, koji drže nukleone u jezgrama, već neke potpuno nove čestice. Unatoč svoj svojoj raznolikosti, ove nove čestice imale su dvije opća svojstva. Prvo, oni su, poput nukleona, vrlo rado sudjelovali u nuklearnim interakcijama - sada se takve čestice nazivaju hadroni. I drugo, bili su izrazito nestabilni. Najnestabilnije od njih raspale su se u druge čestice u samo trilijunti dio nanosekunde, a nisu imale vremena ni poletjeti veličine atomske jezgre!

Dugo je vremena hadronski "zoološki vrt" bio potpuni nered. Krajem 1950-ih fizičari su već dosta naučili različiti tipovi hadrona, počeo ih međusobno uspoređivati ​​i iznenada uočio određenu opću simetriju, čak i periodičnost, njihovih svojstava. Predloženo je da unutar svih hadrona (uključujući nukleone) postoje neki jednostavni objekti koji se nazivaju "kvarkovi". Kombiniranjem kvarkova na različite načine moguće je dobiti različite hadrone, a potpuno iste vrste i s istim svojstvima koji su otkriveni u eksperimentu.

Što čini proton protonom?

Nakon što su fizičari otkrili kvarkovu strukturu hadrona i saznali da kvarkovi postoje u nekoliko različitih varijanti, postalo je jasno da se mnoge različite čestice mogu konstruirati od kvarkova. Stoga nitko nije bio iznenađen kada su naredni eksperimenti nastavili pronalaziti nove hadrone jedan za drugim. Ali među svim hadronima, otkrivena je cijela obitelj čestica koja se, baš kao i proton, sastoji od samo dva u-kvarkovi i jedan d-kvark. Neka vrsta "brata" protona. I tu je fizičare čekalo iznenađenje.

Najprije napravimo jedno jednostavno opažanje. Ako imamo više predmeta koji se sastoje od istih “cigli”, tada teži objekti sadrže više “cigli”, a lakši manje. Ovo je vrlo prirodno načelo, koje se može nazvati načelo kombinacije ili načelo nadgradnje, i savršeno funkcionira u oba Svakidašnjica, i u fizici. Čak se pojavljuje u uređaju atomske jezgre- uostalom, teže jezgre se jednostavno sastoje od više protona i neutrona.

No, na razini kvarkova taj princip uopće ne funkcionira, a doduše fizičari još nisu do kraja shvatili zašto. Ispostavilo se da se teška braća protona također sastoje od istih kvarkova kao i proton, iako su jedan i pol ili čak dva puta teži od protona. Razlikuju se od protona (i međusobno se razlikuju) ne sastav, i obostrano mjesto kvarkovi, stanjem u kojem su ti kvarkovi jedni prema drugima. Dovoljno je promijeniti relativni položaj kvarkova - i od protona ćemo dobiti drugu, osjetno težu, česticu.

Što će se dogoditi ako ipak uzmete i skupite više od tri kvarka zajedno? Hoće li biti nove teške čestice? Začudo, to neće uspjeti - kvarkovi će se raspasti u tri i pretvoriti u nekoliko raspršenih čestica. Iz nekog razloga, priroda "ne voli" spajanje mnogih kvarkova u jednu cjelinu! Tek nedavno, doslovno u posljednjih godina počele su se pojavljivati ​​naznake da neke višekvarkove čestice ipak postoje, ali to samo naglašava koliko ih priroda ne voli.

Iz ove kombinatorike proizlazi vrlo važan i dubok zaključak - masa hadrona se uopće ne sastoji od mase kvarkova. Ali ako se masa hadrona može povećati ili smanjiti jednostavnim rekombiniranjem njegovih sastavnih cigli, onda nisu sami kvarkovi ti koji su odgovorni za masu hadrona. I doista, u kasnijim pokusima moglo se doznati da je masa samih kvarkova samo oko dva posto mase protona, a ostatak gravitacije nastaje zbog polja sila (posebnih čestica - gluona) koje povezuju kvarkove zajedno. Mijenjajući relativni položaj kvarkova, na primjer, udaljavajući ih jedan od drugog, mijenjamo gluonski oblak, čineći ga masivnijim, zbog čega se povećava masa hadrona (slika 1).

Što se događa unutar protona koji se brzo kreće?

Sve gore opisano odnosi se na stacionarni proton, jezikom fizičara to je struktura protona u njegovom okviru mirovanja. Međutim, u eksperimentu je struktura protona prvi put otkrivena pod drugim uvjetima – unutra brzo letenje proton.

U kasnim 1960-ima, u eksperimentima sudara čestica na akceleratorima, uočeno je da se protoni koji putuju brzinom bliskom svjetlosti ponašaju kao da energija unutar njih nije ravnomjerno raspoređena, već je koncentrirana u pojedinačnim kompaktnim objektima. Slavni fizičar Richard Feynman predložio je da se te nakupine materije unutar protona nazovu partoni(s engleskog dio - Dio).

Naknadni eksperimenti ispitali su mnoga svojstva partona - na primjer, njihov električni naboj, njihov broj i udio energije protona koji svaki nosi. Ispada da su nabijeni partoni kvarkovi, a neutralni partoni gluoni. Da, ti isti gluoni, koji su u okviru mirovanja protona jednostavno "služili" kvarkovima, privlačeći ih jedni drugima, sada su neovisni partoni i zajedno s kvarkovima nose "materiju" i energiju brzog protona. Eksperimenti su pokazali da je otprilike polovica energije pohranjena u kvarkovima, a polovica u gluonima.

Partone je najprikladnije proučavati u sudarima protona s elektronima. Činjenica je da, za razliku od protona, elektron ne sudjeluje u jakim nuklearnim interakcijama i njegov sudar s protonom izgleda vrlo jednostavno: elektron je vrlo kratko vrijeme emitira virtualni foton, koji se sudara s nabijenim partonom i na kraju generira veliki brojčestice (slika 2). Možemo reći da je elektron izvrstan skalpel za "otvaranje" protona i njegovu podjelu na odvojene dijelove - ali samo na vrlo kratko vrijeme. Znajući koliko se često takvi procesi događaju na akceleratoru, može se izmjeriti broj partona unutar protona i njihovi naboji.

Tko su zapravo Partonovi?

I tu dolazimo do još jednog nevjerojatnog otkrića do kojeg su fizičari došli proučavajući sudare elementarnih čestica pri visokim energijama.

U normalnim uvjetima, pitanje od čega se sastoji ovaj ili onaj objekt ima univerzalni odgovor za sve referentne sustave. Na primjer, molekula vode sastoji se od dva atoma vodika i jednog atoma kisika – i nije bitno gledamo li molekulu koja miruje ili se kreće. Međutim, ovo se pravilo čini tako prirodnim! - prekrši se ako govorimo o o elementarnim česticama koje se kreću brzinama bliskim brzini svjetlosti. U jednom referentnom okviru, složena se čestica može sastojati od jednog skupa podčestica, au drugom referentnom okviru od drugog. Ispostavilo se da sastav je relativan pojam!

Kako to može biti? Ovdje je ključna jedna stvar važna imovina: Broj čestica u našem svijetu nije fiksan - čestice se mogu roditi i nestati. Na primjer, ako spojite dva elektrona s dovoljno velikom energijom, tada se osim ta dva elektrona može roditi ili foton, ili par elektron-pozitron, ili neke druge čestice. Sve to dopuštaju kvantni zakoni, a upravo se to događa u stvarnim eksperimentima.

Ali ovaj "zakon neodržavanja" čestica djeluje u slučaju sudaračestice. Kako se događa da isti proton iz različitih točki gledišta izgleda kao da se sastoji od različitog skupa čestica? Poanta je da proton nisu samo tri kvarka zajedno. Između kvarkova postoji polje sile gluona. Općenito, polje sile (kao što je gravitacijsko ili električno polje) je vrsta materijalnog "entiteta" koji prožima prostor i omogućuje česticama da snažno utječu jedna na drugu. U kvantna teorija polje se također sastoji od čestica, doduše posebnih - virtualnih. Broj ovih čestica nije fiksan, one stalno "pupaju" iz kvarkova i apsorbiraju ih drugi kvarkovi.

Odmarajući se Proton se stvarno može zamisliti kao tri kvarka s gluonima koji skaču između njih. Ali pogledamo li isti proton iz drugog referentnog okvira, kao iz prozora “relativističkog vlaka” koji prolazi, vidjet ćemo potpuno drugačiju sliku. Ti virtualni gluoni koji su spojili kvarkove činit će se manje virtualnim, "stvarnijim" česticama. Oni se, naravno, i dalje rađaju i apsorbiraju kvarkovi, ali u isto vrijeme žive sami neko vrijeme, leteći pored kvarkova, poput pravih čestica. Ono što izgleda jednostavno polje sile u jednom referentnom okviru, pretvara se u struju čestica u drugom okviru! Imajte na umu da ne diramo sam proton, već ga samo promatramo iz drugog referentnog okvira.

Dalje više. Što je brzina našeg “relativističkog vlaka” bliža brzini svjetlosti, to će nevjerojatnija biti slika koju ćemo vidjeti unutar protona. Kako se približavamo brzini svjetlosti, primijetit ćemo da unutar protona ima sve više gluona. Štoviše, ponekad se dijele u parove kvark-antikvark, koji također lete u blizini i također se smatraju partonima. Kao rezultat toga, ultrarelativistički proton, tj. proton koji se kreće u odnosu na nas brzinom vrlo bliskom brzini svjetlosti, pojavljuje se u obliku prožimajućih oblaka kvarkova, antikvarkova i gluona koji lete zajedno i čini se da podupiru jedan drugoga (Sl. 3).

Čitatelj upoznat s teorijom relativnosti mogao bi biti zabrinut. Sva se fizika temelji na načelu da se svaki proces odvija na isti način u svim inercijski sustavi odbrojavanje. Ali ispada da sastav protona ovisi o referentnom okviru iz kojeg ga promatramo?!

Da, točno, ali to ni na koji način ne krši načelo relativnosti. Rezultati fizičkih procesa - na primjer, koje čestice i koliko ih nastaje kao rezultat sudara - doista se pokazuju nepromjenjivima, iako sastav protona ovisi o referentnom okviru.

Ova situacija, na prvi pogled neobična, ali koja zadovoljava sve zakone fizike, shematski je prikazana na slici 4. Ona pokazuje kako izgleda sudar dvaju protona visoke energije u različitim referentnim okvirima: u sustavu mirovanja jednog protona, u okvir centra mase, u okviru mirovanja drugog protona . Interakcija između protona odvija se kroz kaskadu cijepajućih gluona, ali samo u jednom slučaju ta se kaskada smatra "unutrašnjošću" jednog protona, u drugom slučaju smatra se dijelom drugog protona, au trećem je jednostavno neki objekt koji se izmjenjuje između dva protona. Ta kaskada postoji, realna je, ali kojem dijelu procesa je treba pripisati ovisi o referentnom okviru.

3D portret protona

Svi rezultati o kojima smo upravo govorili temeljeni su na eksperimentima koji su izvedeni dosta davno - 60-70-ih godina prošlog stoljeća. Čini se da je od tada sve trebalo proučiti i sva pitanja pronaći svoje odgovore. Ali ne - struktura protona i dalje ostaje jedna od najzanimljivijih tema u fizici čestica. Štoviše, zanimanje za nju ponovno je poraslo posljednjih godina jer su se fizičari dosjetili kako dobiti “trodimenzionalni” portret protona koji se brzo kreće, što se pokazalo puno težim od portreta nepokretnog protona.

Klasični pokusi sudara protona govore samo o broju partona i njihovoj raspodjeli energije. U takvim eksperimentima partoni sudjeluju kao neovisni objekti, što znači da je iz njih nemoguće saznati kako su partoni smješteni jedan u odnosu na drugi, odnosno kako se točno zbrajaju u proton. Možemo reći da je dugo vremena fizičarima bio dostupan samo “jednodimenzionalni” portret brzog protona.

Da bi se konstruirao pravi, trodimenzionalni portret protona i saznala raspodjela partona u prostoru, potrebni su mnogo suptilniji eksperimenti od onih koji su bili mogući prije 40 godina. Fizičari su naučili provoditi takve eksperimente nedavno, doslovno u posljednje desetljeće. Shvatili su da među veliki iznos Od različitih reakcija koje se događaju kada se elektron sudari s protonom, postoji jedna posebna reakcija - duboko virtualno Comptonovo raspršenje, - što nam može reći o trodimenzionalnoj strukturi protona.

Općenito, Comptonovo raspršenje ili Comptonov efekt je elastični sudar fotona s česticom, primjerice protonom. To izgleda ovako: dolazi foton, apsorbira ga proton, koji nakratko prelazi u pobuđeno stanje, a zatim se vraća u prvobitno stanje, emitirajući foton u nekom smjeru.

Comptonovo raspršenje običnih svjetlosnih fotona ne dovodi do ničega zanimljivog - to je jednostavno refleksija svjetlosti od protona. Da bi unutarnja struktura protona “došla do izražaja” i da bi se “osjetila” raspodjela kvarkova, potrebno je koristiti fotone vrlo visoke energije - milijarde puta više nego kod običnog svjetla. A upravo takve fotone - iako virtualne - lako generira upadni elektron. Ako sada spojimo jedno s drugim, dobit ćemo duboko virtualno Comptonovo raspršenje (slika 5).

Glavna značajka ove reakcije je da ne uništava proton. Upadni foton ne samo da udari proton, već ga, takoreći, pažljivo opipa i zatim odleti. Smjer u kojem će odletjeti i koliki dio energije mu proton oduzima ovisi o strukturi protona, o relativni položaj partoni unutar njega. Zato je proučavanjem ovog procesa moguće obnoviti trodimenzionalni izgled protona, kao da se “isklesuje njegova skulptura”.

Istina, eksperimentalnom fizičaru to je vrlo teško učiniti. Traženi proces događa se prilično rijetko i teško ga je registrirati. Prvi eksperimentalni podaci o ovoj reakciji dobiveni su tek 2001. godine na akceleratoru HERA u njemačkom akceleratorskom kompleksu DESY u Hamburgu; novu seriju podataka sada obrađuju eksperimentatori. Međutim, već danas, na temelju prvih podataka, teoretičari crtaju trodimenzionalne raspodjele kvarkova i gluona u protonu. Fizička količina, o kojem su fizičari dotad samo pretpostavljali, konačno je počeo “izranjati” iz eksperimenta.

Čekaju li nas neka neočekivana otkrića na ovom području? Vjerojatno je da da. Ilustracije radi, recimo da se u studenom 2008. godine pojavio zanimljiv teorijski članak koji tvrdi da proton koji se brzo kreće ne bi trebao izgledati kao ravni disk, već kao bikonkavna leća. To se događa jer su partoni koji se nalaze u središnjem području protona jače komprimirani u uzdužnom smjeru od partona koji se nalaze na rubovima. Bilo bi vrlo zanimljivo eksperimentalno provjeriti ova teorijska predviđanja!

Zašto je sve ovo zanimljivo fizičarima?

Zašto fizičari uopće moraju točno znati kako je materija raspoređena unutar protona i neutrona?

Prvo, to zahtijeva sama logika razvoja fizike. Ima mnogo nevjerojatnih stvari na svijetu složeni sustavi, s čime se moderna teorijska fizika još ne može u potpunosti nositi. Hadroni su jedan takav sustav. Razumijevajući strukturu hadrona, brusimo sposobnosti teorijske fizike, koja bi se mogla pokazati univerzalnom i, možda, pomoći u nečem sasvim drugom, na primjer, u proučavanju supravodiča ili drugih materijala s neobičnim svojstvima.

Drugo, postoji izravna korist za nuklearnu fiziku. Unatoč gotovo stoljetnoj povijesti proučavanja atomskih jezgri, teoretičari još uvijek ne znaju točan zakon interakcije između protona i neutrona.

Taj zakon moraju dijelom pogoditi na temelju eksperimentalnih podataka, a dijelom ga konstruirati na temelju znanja o strukturi nukleona. Tu će pomoći novi podaci o trodimenzionalnoj strukturi nukleona.

Treće, prije nekoliko godina fizičari su uspjeli dobiti ništa manje od novog agregatno stanje tvari – kvark-gluonska plazma. U tom stanju, kvarkovi ne sjede unutar pojedinačnih protona i neutrona, već slobodno hodaju kroz čitavu gomilu nuklearne materije. To se može postići, primjerice, ovako: teške jezgre se u akceleratoru ubrzaju do brzine vrlo bliske brzini svjetlosti, a zatim se frontalno sudare. U ovom sudaru, temperature od trilijuna stupnjeva nastaju vrlo kratko vrijeme, što topi jezgre u kvark-gluonsku plazmu. Dakle, ispada da teorijski proračuni ovog nuklearnog taljenja zahtijevaju dobro poznavanje trodimenzionalne strukture nukleona.

Konačno, ovi podaci su vrlo potrebni za astrofiziku. Kada teške zvijezde eksplodiraju na kraju svog života, iza sebe često ostavljaju izuzetno kompaktne objekte - neutronske i možda kvarkove zvijezde. Jezgra ovih zvijezda sastoji se isključivo od neutrona, a možda čak i od hladne kvark-gluonske plazme. Takve su zvijezde odavno otkrivene, no može se samo nagađati što se u njima događa. Dakle, dobro razumijevanje distribucije kvarkova može dovesti do napretka u astrofizici.

DEFINICIJA

Proton naziva se stabilna čestica koja pripada klasi hadrona, a koja je jezgra atoma vodika.

Znanstvenici se ne slažu oko toga koji znanstveni događaj treba smatrati otkrićem protona. Važnu ulogu u otkriću protona odigrali su:

1. stvaranje planetarnog modela atoma E. Rutherforda;
2. otkriće izotopa F. Soddyja, J. Thomsona, F. Astona;
3. promatranja ponašanja jezgri vodikovih atoma kada ih alfa čestice izbace iz jezgri dušika E. Rutherforda.

Prve fotografije tragova protona dobio je P. Blackett u oblačnoj komori proučavajući procese umjetne transformacije elemenata. Blackett je proučavao proces hvatanja alfa čestica jezgrama dušika. U tom procesu emitiran je proton, a jezgra dušika pretvorena je u izotop kisika.

Protoni su zajedno s neutronima dio jezgri svih kemijskih elemenata. Broj protona u jezgri određuje atomski broj elementa u periodni sustav elemenata DI. Mendeljejev.

Proton je pozitivno nabijena čestica. Njegov je naboj po veličini jednak elementarnom naboju, odnosno vrijednosti naboja elektrona. Naboj protona često se označava kao , tada možemo napisati da je:

Trenutno se vjeruje da proton nije elementarna čestica. Ima složenu strukturu i sastoji se od dva u-kvarka i jednog d-kvarka. Električno punjenje u - quark() je pozitivan i jednak je

Električni naboj d-kvarka () je negativan i jednak je:

Kvarkovi povezuju razmjenu gluona, koji su kvanti polja, podnose snažnu interakciju. Činjenicu da protoni u svojoj strukturi imaju nekoliko točkastih centara raspršenja potvrđuju pokusi raspršenja elektrona na protonima.

Proton ima konačnu veličinu, oko koje se znanstvenici još uvijek spore. Trenutno je proton predstavljen kao oblak koji ima zamagljene granice. Takva se granica sastoji od virtualnih čestica koje stalno nastaju i uništavaju se. Ali u većini jednostavni zadaci Proton se, naravno, može smatrati točkastim nabojem. Masa mirovanja protona () približno je jednaka:

Masa protona je 1836 puta veća od mase elektrona.

Protoni sudjeluju u svim temeljne interakcije: jake interakcije spajaju protone i neutrone u jezgre, elektroni i protoni spajaju se u atome pomoću elektromagnetskih interakcija. Kao slabu interakciju možemo navesti npr. beta raspad neutrona (n):

gdje je p proton; — elektron; - antineutrino.

Raspad protona još nije dobiven. Ovo je jedan od važnih suvremenih problema fizike, budući da bi ovo otkriće bilo značajan korak u razumijevanju jedinstva sila prirode.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte	Jezgre atoma natrija bombardirane su protonima. Kolika je sila elektrostatskog odbijanja protona od jezgre atoma ako je proton udaljen m. Smatrajte da je naboj jezgre atoma natrija 11 puta veći od naboja protona. Utjecaj elektronska ljuska atom natrija ne treba čitati.
Riješenje	Kao osnovu za rješavanje problema uzet ćemo Coulombov zakon koji se za naš problem (pod pretpostavkom da su čestice točkaste čestice) može napisati na sljedeći način: gdje je F sila elektrostatske interakcije nabijenih čestica; Cl je naboj protona; - naboj jezgre atoma natrija; - dielektrična konstanta vakuuma; - električna konstanta. Koristeći podatke koje imamo, možemo izračunati potrebnu odbojnu silu:
Odgovor	N

PRIMJER 2

Vježbajte	Uzimajući u obzir najjednostavniji model atoma vodika, smatra se da se elektron kreće po kružnoj orbiti oko protona (jezgre atoma vodika). Kolika je brzina elektrona ako je polumjer njegove orbite m?
Riješenje	Razmotrimo sile (slika 1) koje djeluju na elektron koji se kreće po kružnici. To je sila privlačenja protona. Prema Coulombovom zakonu pišemo da je njegova vrijednost jednaka (): gdje je =— naboj elektrona; - protonski naboj; - električna konstanta. Privlačna sila između elektrona i protona u bilo kojoj točki elektronove orbite usmjerena je od elektrona prema protonu duž polumjera kruga.