A protonok termonukleáris reakciókban vesznek részt, amelyek a csillagok által generált fő energiaforrások. Különösen a reakciók pp-ciklus, amely a Nap által kibocsátott energia szinte teljes forrása, négy protonnak a hélium-4 atommaggá való egyesülésében, két proton neutronná történő átalakulásában vezet le.

A fizikában a protont jelölik p(vagy p+ ). A pozitív hidrogénionnak tekintett proton kémiai jelölése H +, asztrofizikai jelölése HII.

Nyítás [ | ]

Proton tulajdonságai[ | ]

A proton és az elektron tömegének aránya, amely 1836,152 673 89(17), 0,002%-os pontossággal egyenlő a 6π 5 = 1836,118 értékkel...

A proton belső szerkezetét először R. Hofstadter tanulmányozta kísérletileg nagyenergiájú elektronok (2 GeV) és protonokkal való ütközésének tanulmányozásával. Nóbel díj fizikából 1961). A proton egy cm sugarú, nagy tömeg- és töltéssűrűségű nehéz magból (magból) áll, amely hordozza ≈ 35% (\megjelenítési stílus \körülbelül 35\%) a proton és az azt körülvevő viszonylag ritka héj elektromos töltése. Távolságban tőle ≈ 0, 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \körülbelül 0,25\cdot 10^(-13)) előtt ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \kb. 1,4\cdot 10^(-13)) cm ez a héj főleg virtuális ρ - és π -mezonokból áll ≈ 50% (\megjelenítési stílus \körülbelül 50\%) a proton elektromos töltése, majd a távolságra ≈ 2, 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \kb. 2,5\cdot 10^(-13)) cm kiterjeszti a virtuális ω - és π -mezonok héját, amelyek a proton elektromos töltésének ~15%-át hordozzák.

A kvarkok által létrehozott proton középpontjában a nyomás körülbelül 10 35 Pa (10 30 atmoszféra), vagyis nagyobb, mint a belső nyomás neutroncsillagok.

A proton mágneses momentumát a rezonáns precessziós frekvencia arányának mérésével mérjük mágneses momentum proton egy adott egyenletes mágneses térben és a proton ciklotron forgási frekvenciája körpályán ugyanabban a térben.

Három fizikai mennyiség kapcsolódik egy protonhoz, amelyek hossza dimenzióval rendelkezik:

Az 1960-as évek óta különféle módszerekkel végzett protonsugár közönséges hidrogénatomokkal végzett mérések (CODATA -2014) vezettek az eredményre. 0,8751 ± 0,0061 femtométer(1 fm = 10 −15 m). A müonos hidrogénatomokkal végzett első kísérletek (ahol az elektront müon helyettesíti) 4%-kal kisebb eredményt adtak erre a sugárra: 0,84184 ± 0,00067 fm. Ennek a különbségnek az okai máig tisztázatlanok.

Az úgynevezett proton K w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, amely meghatározza részvételét a gyenge interakciókban a csere révén Z 0 bozon (hasonlóan ahhoz, ahogyan a részecske elektromos töltése határozza meg az elektromágneses kölcsönhatásokban való részvételét a fotoncsere révén), 0,0719 ± 0,0045 kísérleti mérések paritássértés a polarizált elektronok protonokon való szóródása során. A mért érték a kísérleti hibán belül összhangban van a Standard Modell elméleti előrejelzéseivel (0,0708 ± 0,0003).

Stabilitás [ | ]

A szabad proton stabil, kísérleti tanulmányok nem mutatta a bomlás jeleit (az élettartam alsó határa 2,9⋅10 29 év a bomlási csatornától függetlenül, 8,2⋅10 33 év pozitronná és semleges pionná bomlás esetén, 6,6⋅10 33 év pozitív müonná bomlás esetén és semleges pion). Mivel a proton a legkönnyebb a barionok közül, a proton stabilitása a barionszám megmaradásának törvényének a következménye – a proton nem bomlik le semmilyen könnyebb részecskévé (például pozitronná és neutrínóvá) anélkül, hogy ezt a törvényt megsértené. A Standard Modell számos elméleti kiterjesztése azonban olyan folyamatokat jósol (még nem figyeltek meg), amelyek a barionszám meg nem maradását, és ezáltal a proton bomlását eredményeznék.

Az atommagban megkötött proton képes az atom K-, L- vagy M-elektronhéjából elektront befogni (ún. „elektronbefogás”). Az atommag protonja, amely elnyelt egy elektront, neutronná alakul, és egyidejűleg neutrínót bocsát ki: p+e − →+ν e . A K-, L- vagy M-rétegben az elektronbefogással kialakított „lyukat” az atom egyik fedő elektronrétegéből származó elektron tölti ki, amely az atomszámnak megfelelő jellegzetes röntgensugarakat bocsát ki. Z− 1, és/vagy Auger elektronok. 7-ből több mint 1000 izotóp ismert
4-től 262-ig
105, elektronbefogással bomlik. Megfelelően magas rendelkezésre álló bomlási energiáknál (fent 2m e c 2 ≈ 1,022 MeV) megnyílik egy versengő bomlási csatorna - pozitron bomlás p → +e ++ν e . Hangsúlyozni kell, hogy ezek a folyamatok csak egyes atommagok protonjainál lehetségesek, ahol a hiányzó energiát a keletkező neutron alacsonyabb maghéjba való átmenete pótolja; szabad protonra tiltja őket az energiamegmaradás törvénye.

A kémiában a protonok forrása az ásványi (salétromsav, kénsav, foszforsav és mások) és szerves (hangyasav, ecetsav, oxálsav és mások). BAN BEN vizesoldat A savak egy proton eltávolításával képesek disszociálni, hidrogén-kationt képezve.

A gázfázisban a protonokat ionizációval nyerik - az elektron eltávolításával a hidrogénatomból. Egy gerjesztetlen hidrogénatom ionizációs potenciálja 13,595 eV. Amikor a molekuláris hidrogént gyors elektronok ionizálják at légköri nyomásés szobahőmérsékleten, kezdetben molekuláris hidrogénion (H 2 +) képződik - fizikai rendszer, amely két protonból áll, amelyeket egy elektron 1,06 távolságra tart össze. Egy ilyen rendszer stabilitását Pauling szerint az elektron rezonanciája okozza két proton között, amelynek „rezonanciafrekvenciája” 7·10 14 s −1. Amikor a hőmérséklet több ezer fokra emelkedik, a hidrogénionizációs termékek összetétele a protonok - H + - javára változik.

Alkalmazás [ | ]

A gyorsított protonnyalábokat az elemi részecskék kísérleti fizikájában (a szórási folyamatok tanulmányozása és más részecskék nyalábjainak előállítása), az orvostudományban (rák protonterápiája) használják.

Lásd még [ | ]

Megjegyzések [ | ]

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Alapvető fizikai állandók --- Teljes lista
2. CODATA Érték: proton tömeg
3. CODATA Érték: proton tömeg u-ban
4. Ahmed S.; et al. (2004). „A nukleonbomlás korlátozásai láthatatlan módokon keresztül a Sudbury Neutrino Obszervatóriumból.” Fizikai áttekintő levelek. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Irodai kód:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. CODATA Érték: protontömeg-energia-egyenérték MeV-ban
6. CODATA Érték: proton-elektron tömegarány
7. , Val vel. 67.
8. Hofstadter P. A magok és nukleonok szerkezete // Fizik. - 1963. - T. 81., 1. sz. - P. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Shchelkin K. I. Virtuális folyamatok és a nukleon szerkezete // A mikrovilág fizikája - M.: Atomizdat, 1965. - 75. o.
10. Rugalmas szórás, perifériás kölcsönhatások és rezonanciák // High Energy Particles. Nagy energiák az űrben és a laboratóriumokban - M.: Nauka, 1965. - 132. o.

A hidrogén, a legegyszerűbb szerkezetű elem. Pozitív töltésű és szinte korlátlan élettartammal rendelkezik. Ez a legstabilabb részecske az Univerzumban. Az ősrobbanás során keletkezett protonok még nem bomlottak le. A proton tömege 1,627*10-27 kg vagy 938,272 eV. Ezt az értéket gyakrabban elektronvoltban fejezik ki.

A protont a magfizika „atyja”, Ernest Rutherford fedezte fel. Feltételezte, hogy az összes atom magja kémiai elemek protonokból állnak, mivel tömegük egész számmal haladja meg a hidrogénatom atommagját. Rutherford készlet érdekes tapasztalat. Ekkor már felfedezték egyes elemek természetes radioaktivitását. Alfa-sugárzással (az alfa-részecskék nagy energiájú héliummagok) a tudós nitrogénatomokat sugárzott be. Ennek a kölcsönhatásnak a hatására egy részecske kirepült. Rutherford azt javasolta, hogy ez egy proton. A Wilson-buborékkamrában végzett további kísérletek megerősítették feltételezését. Így 1913-ban egy új részecskét fedeztek fel, de Rutherford hipotézise az atommag összetételéről tarthatatlannak bizonyult.

A neutron felfedezése

A nagy tudós hibát talált a számításaiban, és hipotézist terjesztett elő egy másik részecske létezéséről, amely az atommag része, és amelynek tömege majdnem megegyezik a proton tömegével. Kísérletileg nem tudta észlelni.

Ezt James Chadwick angol tudós tette meg 1932-ben. Kísérletet végzett, amelyben berillium atomokat bombázott nagy energiájú alfa-részecskékkel. Ennek eredményeként nukleáris reakció Egy részecske, amelyet később neutronnak neveztek, kirepült a berilliummagból. Felfedezéséért Chadwick három évvel később Nobel-díjat kapott.

A neutron tömege valóban alig különbözik a proton tömegétől (1,622 * 10-27 kg), de ennek a részecskének nincs töltése. Ebben az értelemben semleges, ugyanakkor képes nehéz atommagok hasadását okozni. A töltés hiánya miatt egy neutron könnyen átjuthat a magas Coulomb-potenciálú gáton, és behatolhat az atommag szerkezetébe.

A protonnak és a neutronnak kvantumtulajdonságai vannak (részecskék és hullámok tulajdonságait mutathatják). A neutronsugárzást orvosi célokra használják. A nagy áthatoló képesség lehetővé teszi, hogy ez a sugárzás ionizálja a mélyen elhelyezkedő daganatokat és más rosszindulatú képződményeket, és felismerje azokat. Ebben az esetben a részecske energiája viszonylag alacsony.

A neutron a protontól eltérően instabil részecske. Élettartama körülbelül 900 másodperc. Protonra, elektronra és elektronneutrínóra bomlik.

, elektromágneses és gravitációs

A protonok termonukleáris reakciókban vesznek részt, amelyek a csillagok által generált fő energiaforrások. Különösen a reakciók pp-ciklus, amely a Nap által kibocsátott energia szinte teljes forrása, négy protonnak a hélium-4 atommaggá való egyesülésében, két proton neutronná történő átalakulásában vezet le.

A fizikában a protont jelölik p(vagy p+ ). A pozitív hidrogénionnak tekintett proton kémiai jelölése H +, asztrofizikai jelölése HII.

Nyítás

Proton tulajdonságai

A proton és az elektron tömegének aránya, amely 1836,152 673 89(17), 0,002%-os pontossággal egyenlő a 6π 5 = 1836,118 értékkel...

A proton belső szerkezetét először R. Hofstadter tanulmányozta kísérletileg nagyenergiájú elektronok (2 GeV) és protonokkal való ütközésének tanulmányozásával (fizikai Nobel-díj 1961). A proton egy cm sugarú, nagy tömeg- és töltéssűrűségű nehéz magból (magból) áll, amely hordozza ≈ 35% (\megjelenítési stílus \kb. 35\,\%) a proton és az azt körülvevő viszonylag ritka héj elektromos töltése. Távolságban tőle ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 0(,)25\cdot 10^(-13)) előtt ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 1(,)4\cdot 10^(-13)) cm ez a héj főleg virtuális ρ - és π -mezonokból áll ≈ 50% (\megjelenítési stílus \körülbelül 50\,\%) a proton elektromos töltése, majd a távolságra ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \approx 2(,)5\cdot 10^(-13)) cm kiterjeszti a virtuális ω - és π -mezonok héját, amelyek a proton elektromos töltésének ~15%-át hordozzák.

A kvarkok által létrehozott proton középpontjában a nyomás körülbelül 10 35 Pa (10 30 atmoszféra), vagyis nagyobb, mint a neutroncsillagok belsejében uralkodó nyomás.

A proton mágneses momentumát úgy mérjük, hogy megmérjük a proton mágneses momentumának precessziójának rezonanciafrekvenciáját egy adott egyenletes mágneses térben és a proton körpályájának ciklotronfrekvenciáját ugyanabban a térben.

Három fizikai mennyiség kapcsolódik egy protonhoz, amelyek hossza dimenzióval rendelkezik:

Az 1960-as évek óta különféle módszerekkel végzett protonsugár közönséges hidrogénatomokkal végzett mérések (CODATA -2014) vezettek az eredményre. 0,8751 ± 0,0061 femtométer(1 fm = 10 −15 m). A müonos hidrogénatomokkal végzett első kísérletek (ahol az elektront müon helyettesíti) 4%-kal kisebb eredményt adtak erre a sugárra: 0,84184 ± 0,00067 fm. Ennek a különbségnek az okai máig tisztázatlanok.

A proton úgynevezett gyenge töltése K w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, amely meghatározza részvételét a gyenge interakciókban a csere révén Z A 0 bozon (hasonlóan ahhoz, ahogyan a részecske elektromos töltése határozza meg az elektromágneses kölcsönhatásokban való részvételét a fotoncserén keresztül) 0,0719 ± 0,0045 a polarizált elektronok protonokon való szóródása során bekövetkezett paritássértés kísérleti mérései szerint. A mért érték a kísérleti hibán belül összhangban van a Standard Modell elméleti előrejelzéseivel (0,0708 ± 0,0003).

Stabilitás

A szabad proton stabil, kísérleti vizsgálatok nem tárták fel a bomlás jeleit (élettartam alsó határa 2,9⋅10 29 év bomlási csatornától függetlenül, 8,2⋅10 33 év pozitronná és semleges pionná bomlás esetén, 6,6⋅ 10 33 év a bomlás pozitív müonná és semleges pionná). Mivel a proton a legkönnyebb a barionok közül, a proton stabilitása a barionszám megmaradásának törvényének a következménye – a proton nem bomlik le semmilyen könnyebb részecskévé (például pozitronná és neutrínóvá) anélkül, hogy ezt a törvényt megsértené. A Standard Modell számos elméleti kiterjesztése azonban olyan folyamatokat jósol (még nem figyeltek meg), amelyek a barionszám meg nem maradását, és ezáltal a proton bomlását eredményeznék.

Az atommagban megkötött proton képes az atom K-, L- vagy M-elektronhéjából elektront befogni (ún. „elektronbefogás”). Az atommag protonja, amely elnyelt egy elektront, neutronná alakul, és egyidejűleg neutrínót bocsát ki: p+e − →+ν e . A K-, L- vagy M-rétegben az elektronbefogással kialakított „lyukat” az atom egyik fedő elektronrétegéből származó elektron tölti ki, amely az atomszámnak megfelelő jellegzetes röntgensugarakat bocsát ki. Z− 1, és/vagy Auger elektronok. 7-ből több mint 1000 izotóp ismert
4-től 262-ig
105, elektronbefogással bomlik. Megfelelően magas rendelkezésre álló bomlási energiáknál (fent 2m e c 2 ≈ 1,022 MeV) megnyílik egy versengő bomlási csatorna - pozitron bomlás p → +e ++ν e . Hangsúlyozni kell, hogy ezek a folyamatok csak egyes atommagok protonjainál lehetségesek, ahol a hiányzó energiát a keletkező neutron alacsonyabb maghéjba való átmenete pótolja; szabad protonra tiltja őket az energiamegmaradás törvénye.

A kémiában a protonok forrása az ásványi (salétromsav, kénsav, foszforsav és mások) és szerves (hangyasav, ecetsav, oxálsav és mások). Vizes oldatban a savak képesek a proton eliminálásával disszociálni, hidrogén-kationt képezve.

A gázfázisban a protonokat ionizációval nyerik - az elektron eltávolításával a hidrogénatomból. Egy gerjesztetlen hidrogénatom ionizációs potenciálja 13,595 eV. Amikor a molekuláris hidrogént gyors elektronok atmoszférikus nyomáson és szobahőmérsékleten ionizálják, kezdetben a molekuláris hidrogénion (H 2 +) keletkezik - egy fizikai rendszer, amely két protonból áll, amelyeket egy elektron 1,06 távolságra tart össze. Egy ilyen rendszer stabilitását Pauling szerint az elektron rezonanciája okozza két proton között, amelynek „rezonanciafrekvenciája” 7·10 14 s −1. Amikor a hőmérséklet több ezer fokra emelkedik, a hidrogénionizációs termékek összetétele a protonok - H + - javára változik.

Alkalmazás

Lásd még

Megjegyzések

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Alapvető fizikai állandók --- Teljes lista
2. CODATA Érték: proton tömeg
3. CODATA Érték: proton tömeg u-ban
4. Ahmed S.; et al. (2004). „A nukleonbomlás korlátozásai láthatatlan módokon keresztül a Sudbury Neutrino Obszervatóriumból.” Fizikai áttekintő levelek. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Irodai kód:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. CODATA Érték: protontömeg-energia-egyenérték MeV-ban
6. CODATA Érték: proton-elektron tömegarány
7. , Val vel. 67.
8. Hofstadter P. A magok és nukleonok szerkezete // Fizik. - 1963. - T. 81., 1. sz. - P. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Shchelkin K. I. Virtuális folyamatok és a nukleon szerkezete // A mikrovilág fizikája - M.: Atomizdat, 1965. - 75. o.
10. Zsdanov G. B. Rugalmas szórás, perifériás kölcsönhatások és rezonanciák // High Energy Particles. Nagy energiák az űrben és a laboratóriumokban - M.: Nauka, 1965. - 132. o.
11. Burkert V. D., Elouadrhiri L., Girod F. X. A nyomáseloszlás a protonon belül // Természet. - 2018. - május (557. évf., 7705. sz.). - P. 396-399. - DOI:10.1038/s41586-018-0060-z.
12. Bethe, G., Morrison F. Elemi elmélet kernelek. - M: IL, 1956. - 48. o.

Az anyag szerkezetének tanulmányozásával a fizikusok rájöttek, miből állnak az atomok, eljutottak az atommaghoz, és protonokra és neutronokra bontották. Mindezek a lépések meglehetősen könnyen megtörténtek - csak fel kellett gyorsítani a részecskéket a szükséges energiára, egymáshoz nyomni őket, és akkor maguk is szétesnek az alkotóelemeikre.

De protonokkal és neutronokkal ez a trükk már nem működött. Bár azok kompozit részecskék, még a leghevesebb ütközésben sem tudnak „darabokra törni”. Ezért a fizikusoknak évtizedekre volt szükségük ahhoz, hogy különféle módokat találjanak ki a proton belsejébe való betekintésre, szerkezetének és alakjának megtekintésére. Ma a proton szerkezetének tanulmányozása a részecskefizika egyik legaktívabb területe.

A természet tippeket ad

A protonok és neutronok szerkezetének tanulmányozásának története az 1930-as évekre nyúlik vissza. Amikor a protonok mellett a neutronokat is felfedezték (1932), miután megmérték a tömegüket, a fizikusok meglepődve tapasztalták, hogy az nagyon közel van a proton tömegéhez. Sőt, az is kiderült, hogy a protonok és a neutronok pontosan ugyanúgy „érzik” a nukleáris kölcsönhatást. Annyira azonos, hogy a nukleáris erők szempontjából a proton és a neutron egy részecske - egy nukleon - két megnyilvánulásaként tekinthető: a proton egy elektromosan töltött nukleon, a neutron pedig egy semleges nukleon. Cserélje le a protonokat neutronokra - és nukleáris erők(majdnem) semmit nem fognak észrevenni.

A fizikusok a természetnek ezt a tulajdonságát szimmetriaként fejezik ki – a nukleáris kölcsönhatás szimmetrikus a protonok neutronokkal való helyettesítése tekintetében, ahogy a pillangó szimmetrikus a bal és a jobb oldali cseréje tekintetében. Ez a szimmetria amellett, hogy fontos szerepet játszik a magfizikában, valójában az első utalás volt arra, hogy a nukleonoknak van érdekessége. belső szerkezet. Igaz, akkor, a 30-as években a fizikusok nem vették észre ezt a célzást.

A megértés később jött. Azzal kezdődött, hogy az 1940-50-es években a protonok és a különböző elemek atommagjainak ütközésének reakcióiban a tudósok meglepődve fedezték fel újabb és újabb részecskéket. Nem protonok, nem neutronok, nem az addigra felfedezett pi-mezonok, amelyek nukleonokat tartanak az atommagokban, hanem néhány teljesen új részecske. Sokféleségük ellenére ezeknek az új részecskéknek kettő volt általános tulajdonságok. Először is, a nukleonokhoz hasonlóan nagyon szívesen vettek részt a nukleáris kölcsönhatásokban - ma az ilyen részecskéket hadronoknak hívják. Másodszor pedig rendkívül instabilok voltak. A leginstabilabb közülük a nanoszekundum trilliod része alatt bomlott le más részecskékre, még arra sem volt idejük, hogy akkorát repüljenek, mint egy atommag!

A hadron „állatkert” sokáig teljes káosz volt. Az 1950-es évek végén a fizikusok már elég sokat tanultak különböző típusok Hadronok, elkezdték összehasonlítani őket egymással, és hirtelen meglátták tulajdonságaik bizonyos általános szimmetriáját, sőt periodikusságát. Feltételezték, hogy minden hadronban (beleértve a nukleonokat is) van néhány egyszerű objektum, amelyet „kvarknak” neveznek. A kvarkokat különböző módon kombinálva különböző hadronokat lehet előállítani, és pontosan ugyanolyan típusúak és tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a kísérlet során.

Mitől proton a proton?

Miután a fizikusok felfedezték a hadronok kvark szerkezetét, és megtudták, hogy a kvarkoknak többféle változata van, világossá vált, hogy sok különböző részecske állítható elő kvarkokból. Így senki sem lepődött meg, amikor a következő kísérletek egymás után újabb hadronokat találtak. De az összes hadron között egy egész részecskék családot fedeztek fel, amelyek a protonhoz hasonlóan csak kettőből állnak. u-kvarkok és egy d-kvark. A proton egyfajta „testvére”. És itt a fizikusokat meglepetés érte.

Először is tegyünk egy egyszerű megfigyelést. Ha több objektumunk van, amelyek ugyanabból a „téglából” állnak, akkor a nehezebb tárgyak több „téglát”, a könnyebbek kevesebbet tartalmaznak. Ez egy nagyon természetes elv, amit a kombináció elvének vagy a felépítmény elvének nevezhetünk, és tökéletesen működik mind Mindennapi életés a fizikában. Még a készülékben is megjelenik atommagok- elvégre a nehezebb magok egyszerűen abból állnak több protonok és neutronok.

A kvarkok szintjén azonban ez az elv egyáltalán nem működik, és igaz, a fizikusok még nem jöttek rá teljesen, miért. Kiderült, hogy a proton nehéz testvérei is ugyanazokból a kvarkokból állnak, mint a proton, bár másfél vagy akár kétszer nehezebbek a protonnál. Nem különböznek a protontól (és különböznek egymástól). fogalmazás,és kölcsönös elhelyezkedés kvarkok, azon állapot szerint, amelyben ezek a kvarkok egymáshoz viszonyítva vannak. Elég megváltoztatni a kvarkok egymáshoz viszonyított helyzetét - és a protonból egy másik, érezhetően nehezebb részecskét kapunk.

Mi történik, ha háromnál több kvarkot veszel és gyűjtesz össze? Lesz-e új nehéz részecske? Meglepő módon ez nem fog működni - a kvarkok hármasban szétesnek, és több szétszórt részecskévé alakulnak. Valamilyen oknál fogva a természet „nem szereti” sok kvarkot egyetlen egésszé egyesíteni! Csak egészen nemrég, szó szerint utóbbi évek, kezdtek megjelenni utalások arra, hogy léteznek egyes többkvarkos részecskék, de ez csak azt hangsúlyozza, hogy a természet mennyire nem szereti őket.

Ebből a kombinatorikából egy nagyon fontos és mély következtetés következik - a hadronok tömege egyáltalán nem áll a kvarkok tömegéből. De ha egy hadron tömege növelhető vagy csökkenthető az alkotó téglák egyszerű újrakombinálásával, akkor nem maguk a kvarkok felelősek a hadronok tömegéért. És valóban, a későbbi kísérletekben sikerült kideríteni, hogy maguk a kvarkok tömege a proton tömegének csak körülbelül két százaléka, a gravitáció többi része pedig az erőtér (speciális részecskék - gluonok) miatt keletkezik, kösd össze a kvarkokat. A kvarkok egymáshoz viszonyított helyzetének megváltoztatásával, például távolabb helyezve őket egymástól, megváltoztatjuk a gluonfelhőt, ezáltal masszívabbá tesszük, ezért a hadron tömege megnő (1. ábra).

Mi történik egy gyorsan mozgó protonban?

A fent leírtak egy stacionárius protonra vonatkoznak, a fizikusok nyelvén ez a proton szerkezete a nyugalmi keretben. A kísérletben azonban először más körülmények között – belül – fedezték fel a proton szerkezetét gyors repülés proton.

Az 1960-as évek végén a gyorsítókban történő részecskék ütközéseivel kapcsolatos kísérletek során észrevették, hogy a közel fénysebességgel haladó protonok úgy viselkedtek, mintha a bennük lévő energia nem oszlana el egyenletesen, hanem az egyes kompakt tárgyakban koncentrálódna. A híres fizikus, Richard Feynman javasolta, hogy ezeket az anyagcsomókat protonoknak nevezzék partons(angolról rész - Rész).

A későbbi kísérletek a partonok számos tulajdonságát vizsgálták – például elektromos töltésüket, számukat és az egyes protonenergia-hányadokat. Kiderült, hogy a töltött partonok kvarkok, a semleges partonok pedig gluonok. Igen, ugyanazok a gluonok, amelyek a proton nyugalmi keretében egyszerűen „kiszolgálták” a kvarkokat, vonzva őket egymáshoz, ma már független partonok, és a kvarkokkal együtt egy gyorsan mozgó proton „anyagát” és energiáját hordozzák. Kísérletek kimutatták, hogy az energia körülbelül fele kvarkokban, fele gluonokban raktározódik.

A partonokat legkényelmesebben protonok elektronokkal való ütközésekor tanulmányozzák. A tény az, hogy a protontól eltérően az elektron nem vesz részt erős nukleáris kölcsönhatásokban, és ütközése egy protonnal nagyon egyszerűnek tűnik: az elektron nagyon egy kis idő virtuális fotont bocsát ki, amely egy töltött partonba ütközik, és végül generál nagy szám részecskék (2. ábra). Azt mondhatjuk, hogy az elektron kiváló szike a proton „felnyitására” és külön részekre osztására – azonban csak nagyon rövid ideig. Ismerve, hogy milyen gyakran fordulnak elő ilyen folyamatok egy gyorsítónál, mérhető a protonban lévő partonok száma és töltéseik.

Kik valójában a Partonok?

És itt elérkeztünk egy másik csodálatos felfedezéshez, amelyet a fizikusok tettek az elemi részecskék nagy energiájú ütközésének tanulmányozása során.

Normál körülmények között arra a kérdésre, hogy ez vagy az az objektum miből áll, egyetemes válasza van minden referenciarendszerre. Például egy vízmolekula két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll – és nem mindegy, hogy álló vagy mozgó molekulát nézünk. Ez a szabály azonban olyan természetesnek tűnik! - sérül, ha arról beszélünk a fénysebességhez közeli sebességgel mozgó elemi részecskékről. Az egyik vonatkoztatási rendszerben egy komplex részecske állhat egy részrészecske halmazból, egy másik vonatkoztatási rendszerben pedig egy másikból. Kiderült, hogy a kompozíció relatív fogalom!

Hogy lehet ez? A kulcs itt egy dolog fontos tulajdon: Világunkban a részecskék száma nem fix - részecskék születhetnek és eltűnhetnek. Például, ha két elektront kellően nagy energiával nyomsz össze, akkor ezen a két elektronon kívül akár foton, akár elektron-pozitron pár, vagy más részecske születhet. Mindezt a kvantumtörvények megengedik, és pontosan ez történik a valós kísérletekben.

De ez a részecskék „meg nem maradásának törvénye” működik ütközések esetén részecskék. Hogyan fordulhat elő, hogy ugyanaz a proton különböző nézőpontokból úgy néz ki, mintha más-más részecskehalmazból állna? A lényeg az, hogy a proton nem csupán három kvarkból áll össze. A kvarkok között gluon erőtér van. Általánosságban elmondható, hogy az erőtér (például a gravitációs vagy elektromos tér) egyfajta anyagi „entitás”, amely áthatja a teret, és lehetővé teszi, hogy a részecskék erőteljes hatást gyakoroljanak egymásra. BAN BEN kvantum elmélet a mező is részecskékből áll, bár különlegesek - virtuálisak. Ezeknek a részecskéknek a száma nincs rögzítve, folyamatosan „kibimbóznak” a kvarkokból, és más kvarkok elnyelik őket.

Pihenő A proton valójában három kvarkként fogható fel, amelyek között gluonok ugrálnak. De ha ugyanazt a protont egy másik vonatkoztatási rendszerből nézzük, mintha egy elhaladó „relativisztikus vonat” ablakából néznénk, egészen más képet látunk. Azok a virtuális gluonok, amelyek a kvarkokat összeragasztották, kevésbé fognak virtuálisnak, „valódibb” részecskéknek tűnni. Természetesen a kvarkok még mindig megszületnek és felszívódnak, ugyanakkor egy ideig önállóan élnek, a kvarkok mellett repülnek, mint a valódi részecskék. Ami egyszerűnek tűnik erőtér az egyik vonatkoztatási rendszerben, egy másik keretben részecskefolyammá alakul! Vegyük észre, hogy magát a protont nem érintjük, hanem csak egy másik vonatkoztatási rendszerből nézzük.

Tovább tovább. Minél közelebb van „relativisztikus vonatunk” sebessége a fénysebességhez, annál csodálatosabb képet fogunk látni a proton belsejében. A fénysebességhez közeledve észre fogjuk venni, hogy a proton belsejében egyre több gluon található. Sőt, időnként kvark-antikvark párokra szakadnak, amelyek szintén a közelben repülnek, és szintén partonnak számítanak. Ennek eredményeként egy ultrarelativisztikus proton, azaz a hozzánk a fénysebességhez nagyon közeli sebességgel mozgó proton kvarkokból, antikvarkokból és gluonokból álló, egymással áthatoló felhők formájában jelenik meg, amelyek együtt repülnek, és úgy tűnik, hogy támogatják egymást (1. . 3).

A relativitáselméletben jártas olvasó aggódhat. Minden fizika azon az elven alapul, hogy minden folyamat mindenben ugyanúgy megy végbe inerciarendszerek visszaszámlálás. De kiderül, hogy a proton összetétele attól függ, hogy milyen vonatkoztatási rendszerből figyeljük meg?!

Igen, pontosan, de ez semmiképpen sem sérti a relativitás elvét. A fizikai folyamatok eredményei - például, hogy mely részecskék és hány darab keletkezik ütközés következtében - bizony invariánsnak bizonyulnak, bár a proton összetétele a vonatkoztatási rendszertől függ.

Ezt az első ránézésre szokatlan, de a fizika minden törvényét kielégítő helyzetet vázlatosan szemlélteti a 4. ábra. Azt mutatja be, hogyan néz ki két nagy energiájú proton ütközése különböző vonatkoztatási rendszerekben: egy proton nyugalmi keretében, a tömegközéppont kerete, egy másik proton többi keretében. A protonok közötti kölcsönhatás a hasadó gluonok kaszkádján keresztül megy végbe, de csak az egyik esetben tekintik ezt a kaszkádot egy proton „belsőjének”, egy másik esetben egy másik proton részének, a harmadik esetben pedig egyszerűen néhány proton. objektum, amely két proton között cserélődik. Ez a kaszkád létezik, valós, de a folyamat melyik részéhez kell hozzárendelni, az a vonatkoztatási rendszertől függ.

3D-s portré egy protonról

Az összes eredmény, amiről az imént beszéltünk, meglehetősen régen - a múlt század 60-70-es éveiben - végzett kísérleteken alapult. Úgy tűnik, hogy azóta mindent át kellett volna tanulmányozni, és minden kérdésre választ kellett volna találnia. De nem – a proton szerkezete továbbra is a részecskefizika egyik legérdekesebb témája. Ráadásul az elmúlt években ismét megnőtt az érdeklődés iránta, mert a fizikusok rájöttek, hogyan készítsenek egy „háromdimenziós” portrét egy gyorsan mozgó protonról, ami sokkal nehezebbnek bizonyult, mint egy álló proton portréja.

A protonütközések klasszikus kísérletei csak a partonok számáról és energiaeloszlásáról árulkodnak. Az ilyen kísérletekben a partonok független objektumokként vesznek részt, ami azt jelenti, hogy nem lehet megtudni belőlük, hogy a partonok hogyan helyezkednek el egymáshoz képest, vagy hogy pontosan hogyan adnak össze egy protont. Elmondhatjuk, hogy sokáig csak egy gyorsan mozgó proton „egydimenziós” portréja állt a fizikusok rendelkezésére.

Egy proton valós, háromdimenziós portréjának megalkotásához és a partonok térbeli eloszlásának megállapításához sokkal finomabb kísérletekre van szükség, mint a 40 évvel ezelőttieknél. A fizikusok nemrég tanulták meg az ilyen kísérleteket, szó szerint ben elmúlt évtizedben. Rájöttek, hogy között Hatalmas mennyiségű A különböző reakciók közül, amelyek akkor mennek végbe, amikor egy elektron ütközik egy protonnal, van egy speciális reakció: mély virtuális Compton-szórás, - amely elmondhatja nekünk a proton háromdimenziós szerkezetét.

Általánosságban elmondható, hogy a Compton-szórás vagy a Compton-effektus egy foton rugalmas ütközése egy részecskével, például egy protonnal. Ez így néz ki: megérkezik egy foton, egy proton elnyeli, ami rövid időre gerjesztett állapotba kerül, majd visszatér eredeti állapotába, és valamilyen irányban fotont bocsát ki.

A közönséges fényfotonok Compton-szórása nem vezet semmi érdekeshez - ez egyszerűen a fény visszaverődése egy protonról. Ahhoz, hogy a proton belső szerkezete „játékba lépjen”, és a kvarkok eloszlása ​​„érzékelhető” legyen, nagyon nagy energiájú fotonokat kell használni – milliárdszor többet, mint a közönséges fényben. És éppen ilyen fotonokat – bár virtuálisakat – könnyen generál egy beeső elektron. Ha most az egyiket a másikkal kombináljuk, mély virtuális Compton-szórást kapunk (5. ábra).

Ennek a reakciónak az a fő jellemzője, hogy nem pusztítja el a protont. A beeső foton nem csak eltalálja a protont, hanem mintegy óvatosan megtapintja, majd elrepül. Az, hogy milyen irányba repül el, és hogy a proton mekkora részét veszi el tőle az energia, a proton szerkezetétől függ, relatív pozíció partonok benne. Éppen ezért ennek a folyamatnak a tanulmányozásával helyreállítható a proton háromdimenziós megjelenése, mintha „szobrát faragnánk”.

Igaz, ezt nagyon nehéz megtenni egy kísérleti fizikusnak. A szükséges folyamat meglehetősen ritkán fordul elő, és nehéz regisztrálni. Az első kísérleti adatokat erről a reakcióról csak 2001-ben szerezték meg a hamburgi DESY német gyorsítókomplexum HERA gyorsítójában; egy új adatsort dolgoznak fel most a kísérletezők. A teoretikusok azonban már ma az első adatok alapján kvarkok és gluonok háromdimenziós eloszlását rajzolják meg a protonban. Fizikai mennyiség, amelyről a fizikusok korábban csak feltételezéseket fogalmaztak meg, végre kezdett „kibújni” a kísérletből.

Várnak ránk váratlan felfedezések ezen a területen? Valószínű, hogy igen. Szemléltetésképpen 2008 novemberében egy érdekes elméleti cikk jelent meg, mely szerint a gyorsan mozgó protonnak nem lapos korongnak, hanem bikonkáv lencsének kell kinéznie. Ez azért történik, mert a proton középső régiójában ülő partonok hosszirányban erősebben összenyomódnak, mint a széleken ülő partonok. Nagyon érdekes lenne ezeket az elméleti előrejelzéseket kísérletileg tesztelni!

Miért érdekes mindez a fizikusok számára?

Miért kell a fizikusoknak pontosan tudniuk, hogyan oszlik el az anyag a protonokon és neutronokon belül?

Először is, ezt maga a fizika fejlődési logikája követeli meg. Sok csodálatos dolog van a világon összetett rendszerek, amellyel a modern elméleti fizika még nem tud teljesen megbirkózni. A hadronok egy ilyen rendszer. A hadronok szerkezetének megértésével az elméleti fizika képességeit csiszoljuk, amelyekről kiderülhet, hogy univerzálisak, és talán valami egészen másban segítenek, például a szupravezetők vagy más, szokatlan tulajdonságokkal rendelkező anyagok tanulmányozásában.

Másodszor, ez közvetlen előnyökkel jár a magfizika számára. Az atommagok tanulmányozásának csaknem évszázados története ellenére a teoretikusok még mindig nem ismerik a protonok és neutronok kölcsönhatásának pontos törvényét.

Ezt a törvényt részben kísérleti adatok alapján kell kitalálniuk, részben a nukleonok szerkezetére vonatkozó ismeretek alapján kell megkonstruálniuk. Itt segítenek a nukleonok háromdimenziós szerkezetére vonatkozó új adatok.

Harmadszor, néhány évvel ezelőtt a fizikusok nem kevesebbet tudtak szerezni, mint újat az összesítés állapota anyagok - kvark-gluon plazma. Ebben az állapotban a kvarkok nem az egyes protonok és neutronok belsejében ülnek, hanem szabadon járják végig a teljes nukleáris anyagcsomót. Ezt például így lehet elérni: a nehéz atommagokat egy gyorsítóban a fénysebességhez nagyon közeli sebességre felgyorsítják, majd frontálisan ütköznek. Ebben az ütközésben nagyon rövid időre trillió fokos hőmérséklet emelkedik, ami a magokat kvark-gluon plazmává olvasztja. Kiderült tehát, hogy ennek a magolvadéknak az elméleti számításaihoz a nukleonok háromdimenziós szerkezetének alapos ismeretére van szükség.

Végül ezek az adatok nagyon szükségesek az asztrofizikához. Amikor a nehéz csillagok életük végén felrobbannak, gyakran rendkívül kompakt tárgyakat - neutron- és esetleg kvarkcsillagokat - hagynak maguk után. Ezeknek a csillagoknak a magja teljes egészében neutronokból áll, és talán még hideg kvark-gluon plazmából is. Az ilyen csillagokat már régóta felfedezték, de csak sejteni lehet, mi történik bennük. Tehát a kvark eloszlásának megfelelő megértése előrelépéshez vezethet az asztrofizikában.

MEGHATÁROZÁS

Proton a hadronok osztályába tartozó stabil részecskének nevezzük, amely a hidrogénatom magja.

A tudósok nem értenek egyet abban, hogy melyik tudományos eseményt kell a proton felfedezésének tekinteni. A proton felfedezésében fontos szerepet játszottak:

1. az atom bolygómodelljének létrehozása E. Rutherford által;
2. izotópok felfedezése: F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
3. E. Rutherford megfigyelései a hidrogénatomok magjainak viselkedéséről, amikor azokat alfa-részecskék kiütik a nitrogénatommagokból.

Az első protonnyomokról készült fényképeket P. Blackett készítette egy felhőkamrában, miközben az elemek mesterséges átalakulásának folyamatait tanulmányozta. Blackett az alfa-részecskék nitrogénmagok általi befogásának folyamatát tanulmányozta. Ebben a folyamatban proton bocsátott ki, és a nitrogénmag oxigén izotópjává alakult.

A protonok a neutronokkal együtt minden kémiai elem magjának részét képezik. Az atommagban lévő protonok száma határozza meg az elem rendszámát periódusos táblázat DI. Mengyelejev.

A proton egy pozitív töltésű részecske. Töltése nagyságrendileg megegyezik az elemi töltéssel, vagyis az elektrontöltés értékével. A proton töltését gyakran jelölik, akkor felírhatjuk, hogy:

Jelenleg úgy gondolják, hogy a proton nem elemi részecske. Bonyolult szerkezetű, és két u-kvarkból és egy d-kvarkból áll. Elektromos töltés u - quark() pozitív és egyenlő

A d-kvark elektromos töltése () negatív és egyenlő:

A kvarkok összekapcsolják a gluonok cseréjét, amelyek mezőkvantumok, erős kölcsönhatást viselnek el. Azt a tényt, hogy a protonok szerkezetében több pontszórási központ van, megerősítik az elektronok protonok általi szórásával kapcsolatos kísérletek.

A protonnak véges mérete van, amiről a tudósok még mindig vitatkoznak. Jelenleg a protont felhőként ábrázolják, amelynek határa elmosódott. Egy ilyen határ folyamatosan felbukkanó és megsemmisülő virtuális részecskékből áll. De a legtöbbben egyszerű feladatokat A proton természetesen ponttöltésnek tekinthető. A proton () nyugalmi tömege megközelítőleg egyenlő:

A proton tömege 1836-szor nagyobb, mint az elektron tömege.

A protonok mindenben részt vesznek alapvető kölcsönhatások: erős kölcsönhatások egyesítik a protonokat és a neutronokat atommagokká, az elektronok és a protonok elektromágneses kölcsönhatások segítségével kapcsolódnak össze atomokban. Gyenge kölcsönhatásként megemlíthetjük például egy neutron (n) béta-bomlását:

ahol p jelentése proton; — elektron; - antineutrínó.

A protonbomlást még nem sikerült elérni. Ez a fizika egyik fontos modern problémája, hiszen ez a felfedezés jelentős lépés lenne a természeti erők egységének megértésében.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

Gyakorlat	A nátrium atom magjait protonok bombázzák. Mekkora az elektrosztatikus taszító ereje egy protonnak az atommagtól, ha a proton távolságra van m) Tekintsük, hogy a nátriumatom atommagjának töltése 11-szer nagyobb, mint a proton töltése. Befolyás elektronhéj nátriumatomot nem kell olvasni.
Megoldás	A probléma megoldásának alapjául a Coulomb-törvényt vesszük, amely felírható a problémánkra (feltéve, hogy a részecskék pontrészecskék) a következőképpen: ahol F a töltött részecskék elektrosztatikus kölcsönhatásának ereje; Cl a protontöltés; - a nátriumatom magjának töltése; - a vákuum dielektromos állandója; - elektromos állandó. A rendelkezésünkre álló adatok alapján kiszámíthatjuk a szükséges taszítóerőt:
Válasz	N

2. PÉLDA

Gyakorlat	A hidrogénatom legegyszerűbb modelljét figyelembe véve úgy gondolják, hogy az elektron körpályán mozog a proton (a hidrogénatom magja) körül. Mekkora az elektron sebessége, ha pályájának sugara m?
Megoldás	Tekintsük a körben mozgó elektronra ható erőket (1. ábra). Ez a proton vonzási ereje. A Coulomb-törvény szerint azt írjuk, hogy értéke egyenlő (): ahol =— elektrontöltés; - proton töltés; - elektromos állandó. Az elektron és a proton közötti vonzási erő az elektron pályájának bármely pontján az elektronról a protonra irányul a kör sugara mentén.