Что можно сказать о заряде протона

Протон

Протон (КА) — У этого термина существуют и другие значения, см. Протон (значения). Протон серия из четырёх советских научных станций искусственных спутников Земли, запущенных с 1965 по 1968 года. Разработаны «НПО машиностроения». Масса спутников составляла от… … Википедия

ПРОТОН — (обозначение ), стабильная ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА с положительным зарядом, равным по модулю негативному заряду ЭЛЕКТРОНА. Протон образует ЯДРО самого легкого изотопа ВОДОРОДА (протия). Вместе с нейтронами протоны образуют ядра всех других… … Научно-технический энциклопедический словарь

ПРОТОН — (от греческого protos первый) (p), стабильная положительно заряженная элементарная частица; ядро атома водорода 1H. Масса 1,7?10 24 г; положительный заряд, равный заряду электрона e. Вместе с нейтронами протоны образуют ядра всех элементов. Число … Современная энциклопедия

ПРОТОН — 1) искусственный спутник Земли для изучения космического пространства. Максимальная масса Протона ок. 17 т. В 1965 68 в СССР запущено 4 Протона .2) Многоступенчатая ракета носитель на жидком топливе. В СССР применялась для запуска космических… … Большой Энциклопедический словарь

ПРОТОН — (от греч. protos первый) (символ р), стабильная элем. частица, ядро атома водорода. Масса П. mр=1,672614(14) •10 24 г »1836 mе, где mе масса эл на; в энергетич. ед. mp»938,3 МэВ. Электрич. заряд П. положителен: е=4,803242(14) •10 10 СГСЭ ед.… … Физическая энциклопедия

Протон — Proton стабильная положительно заряженная элементарная частица с зарядом 1,61?10 19 Кл и массой 11,66?10 27 кг. Протон образует ядро «легкого» изотопа атома водорода (протия). Число протонов в ядре любого элемента определяет заряд ядра и атомный… … Термины атомной энергетики

протон — Стабильная положительно заряженная элементарная частица с зарядом 1,61·10 19 Кл и массой 1,66·10 27 кг. Протон образует ядро “легкого” изотопа атома водорода (протия). Число протонов в ядре любого элемента определяет заряд … Справочник технического переводчика

Заряд протона

Ученые расходятся во мнении, какое и научных событий считать открытием протона. Важную роль в открытии протона сыграли:

1. создание Э. Резерфордом планетарной модели атома;
2. открытие изотопов Ф. Содди, Дж. Томсоном, Ф. Астоном;
3. наблюдения за поведением ядер атомов водорода при выбивании их альфа-частицами из ядер азота Э. Резерфордом.

Первые фотографии следов протона были получены П. Блэкеттом в камере Вильсона при исследовании процессов искусственного превращения элементов. Блэкетт исследовал процесс захвата альфа частиц ядрами азота. В этом процессе испускался протон и ядро азота превращалось в изотоп кислорода.

Протоны совместно с нейтронами входят в состав ядер всех химических элементов. Количество протонов в ядре определяет атомный номер элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.

Протон – это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как , тогда можно записать, что:

В настоящее время считают, что протон не является элементарной частицей. Он имеет сложную структуру и состоит из двух u- кварков и одного d – кварка. Электрический заряд u – кварка () положительный и он равен

Электрический заряд d – кварка () отрицательный и равен:

Кварки связывают обмен глюонами, которые являются квантами поля, они переносят сильное взаимодействие. То, что протоны имеют в своей структуре несколько точечных центров рассеяния подтверждено экспериментами по рассеянию электронов на протонах.

Протон имеет конечные размеры, о которых ученые до сих пор спорят. В настоящее время протон представляют как облако, которое имеет размытую границу. Такая граница состоит из постоянно возникающих и аннигилирующих виртуальных частиц. Но в большинстве простых задач протон, конечно можно считать точечным зарядом. Масса покоя протона () примерно равна:

Масса протона в 1836 раз больше, чем масса электрона.

Протоны принимают участие во всех фундаментальных взаимодействиях: сильные взаимодействия объединяют протоны и нейтроны в ядра, электроны и протоны при помощи электромагнитных взаимодействий соединяются в атомах. В качестве слабого взаимодействия можно привести, например, бета-распад нейтрона (n):

где p – протон; — электрон; — антинейтрино.

Распад протона получен пока еще не был. Это является одной из важных современных задач физики, так как это открытие стало бы существенным шагом в понимании единства сил природы.

Примеры решения задач

Задание	Ядра атома натрия бомбардируют протонами. Какова сила электростатического отталкивания протона от ядра атома, если протон находится на расстоянии м. Считайте, что заряд ядра атома натрия в 11 раз больше, чем заряд протона. Влияние электронной оболочки атома натрия можно не читывать.
Решение	За основу решения задачи примем закон Кулона, который можно для нашей задачи (считая частицы точечными) записать следующим образом:

где F – сила электростатического взаимодействия заряженных частиц; Кл — заряд протона; – заряд ядра атома натрия; – диэлектрическая проницаемость вакуума; — электрическая постоянная. Используя имеющиеся у нас данные можно провести вычисления искомой силы отталкивания:

Задание	Рассматривая простейшую модель атома водорода, считают, что электрон движется по круговой орбите вокруг протона (ядра атома водорода). Чему равна скорость движения электрона, если радиус его орбиты равен м?
Решение	Рассмотрим силы (рис.1), которые действуют на движущийся по окружности электрон. Это сила притяжения со стороны протона. По закону Кулона мы запишем, что ее величина равна ():

где =— заряд электрона; – заряд протона; — электрическая постоянная. Сила притяжения меду электроном и протоном в любой точке орбиты электрона направлена от электрона к протону по радиусу окружности.

В соответствии со вторым законом Ньютона мы имеем:

Так как считаем, что электрон движется с постоянной по модулю скоростью, то он обладает только центростремительным ускорением, то есть можно записать, что:

где – масса электрона. Используя выражения (2.1) и (2.3), получаем:

Протон, физические свойства, структура и применение

Протон (от лат. protos — первый) — элементарная частица, входящая в состав атомных ядер. Является одним из основных компонентов атомов и молекул. Имеют положительный электрический заряд и являются фундаментальными строительными блоками всех химических элементов.

Протоны имеют массу примерно 1,6726 × 10-27 кг и являются самыми легкими из всех элементарных частиц. Не является самостоятельным объектом в повседневной жизни, но является основой для всех живых организмов. В атоме каждый электрон имеет свой соответствующий протон, который является его противоположностью. Это означает, что если у атома есть электрон, то у него также есть и протон.

Протоны существуют в ядрах атомов, где они связаны с другими частицами, такими как нейтроны и электроны, образуя ядра атомов. В химии и физике протоны используются для определения массы и заряда атомных ядер.

Открытие протона

Это одно из важнейших событий в истории физики. Протон был открыт в 1919 году Эрнестом Резерфордом, который доказал, что атом состоит из ядра, окруженного электронами. Это открытие стало основой для создания квантовой механики и позволило понять, как работает атом.

Ученый предположил, что атом состоит из ядра, окруженного электронами, и что ядро должно содержать протоны и нейтроны. Он также предположил, что альфа-частицы, которые он использовал в своих экспериментах, могут быть использованы для изучения структуры атома.

В ходе своих экспериментов Резерфорд обнаружил, что альфа-частица, попадая на атом золота, может быть рассеяна на углы, превышающие 90 градусов. Это означало, что ядро атома было очень маленьким и имело положительный заряд.

Также обнаружил, что при столкновении альфа-частицы с ядром атома золота, ядро могло отклоняться на большие углы и терять часть своей энергии. Это открытие стало доказательством того, что ядро состоит из протонов.

В 1920 году Резерфорд получил Нобелевскую премию за свое открытие протона, которое стало одним из ключевых моментов в развитии ядерной физики и физики элементарных частиц.

Открытие протона привело к созданию новой области физики – ядерной физики, которая изучает структуру и свойства ядер атомов. Этот элемент считается фундаментальной частицей, так как все атомы состоят из протонов. Кроме того, является основной частью ядра атома, которое определяет его свойства, такие как заряд, масса и энергия.

Изучение свойств протона продолжается до сегодняшнего дня. Например, было обнаружено, что протон имеет магнитный момент, который обусловлен его спином. Также было установлено, что протон может взаимодействовать с другими частицами, такими как электроны и фотоны.

Структура протона

Протон — это элементарная частица, которая является основной единицей атомной массы. Он состоит из трех кварков, которые связаны вместе сильным ядерным взаимодействием.

Кварки состоят из двух типов:

• u-кварки,
• и d-кварки.

Каждый кварк имеет свой античастицу:

• d-антикварки
• u-антикварк соответственно.

Кварки и антикварки имеют одинаковый заряд, но противоположные ароматы.

Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, которые образуют барионное число B = 1. Антипротон состоит из античастиц u-антикара и d-антикарака.

Структура протона сложна и не полностью понятна. Однако, благодаря современным экспериментам и теориям, мы знаем, что кварки находятся внутри протонов и нейтронов, а также, что они связаны между собой сильным ядерным взаимодействием, которое обеспечивает стабильность ядра.

Существует несколько моделей, которые пытаются объяснить структуру протона. Одна из таких моделей — это модель кварковой-глюонной плазмы, которая предполагает, что протон состоит из трех кварков (верхнего, нижнего и среднего), связанных между собой глюонными силами.

Другая модель — это модель оболочечной модели, которая утверждает, что протон имеет структуру из электронных оболочек, которые окружают ядро, состоящее из кварков и глюонов.

Несмотря на то, что эти модели не могут точно описать структуру протона, они помогают понять его основные свойства и взаимодействие с другими частицами.

Физические свойства протонов

Заряд протона

Протон — это элементарная частица, которая является основным компонентом ядра атомов. Он имеет положительный заряд, равный единице, и массу, равную примерно 1,6726 × 10^-27 кг.

Заряд протона определяется его структурой и свойствами. Внутри протона находятся три кварка, которые удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием. Каждый кварк имеет заряд, равный одной трети заряда протона, то есть 1/3. Таким образом, суммарный заряд трех кварков внутри протона равен одной единице.

Важно отметить, что заряд протона является фундаментальной константой природы, которая не может быть изменена или изменена в результате каких-либо процессов. Протон является стабильной частицей и не распадается на другие частицы.

Масса протона

Масса протона — составляет примерно 1,6726 × 10^-27 кг. Это значение было установлено с высокой точностью благодаря измерениям в физике элементарных частиц и ядерной физике.

Определяется как масса частицы, которая не может быть разложена на более простые частицы. В рамках Стандартной модели физики элементарных частиц, масса протона является фундаментальной константой и не может быть изменена.

Однако, стоит отметить, что измерение массы протона не является точным на 100%, и существуют различные теории, которые пытаются объяснить, почему масса протона отличается от значения, которое было измерено экспериментально. Одна из таких теорий — это теория суперсимметрии, которая предполагает существование более тяжелых частиц, чем протоны, и уменьшение их массы до значения, близкого к измеренному.

Спин протона

Спин протона — это квантовое свойство, которое описывает вращение частицы вокруг своей оси. В квантовой механике спин протона имеет два возможных значения: +1/2 и -1/2.

Когда электрон вращается вокруг ядра атома, он создает магнитное поле, которое называется магнитным моментом электрона. Это поле взаимодействует с другими, такими как магнитное поле ядра атома.

Таким образом, спин протона влияет на движение электрона вокруг ядра, и это взаимодействие описывается теорией квантовой механики.

Существует два основных спиновых состояния протона:

• спин вверх (s = +1/2)
• и спин вниз (s = -1/2).

Эти состояния определяются тем, как протон вращается вокруг своей оси и как он взаимодействует с другими частицами.

Когда протон находится в состоянии спина вверх, он имеет положительный магнитный момент, а когда в состоянии спина вниз — отрицательный магнитный момент. Это означает, что протон имеет магнитный момент, который зависит от его спинового состояния.

Кроме того, спин протона может быть изменен в результате взаимодействия с другими частицами, такими как электроны или другие протоны. При этом протон переходит в другое спиновое состояние, что может привести к изменению его магнитного момента.

Таким образом, спин протона является важным свойством, которое определяет его свойства и взаимодействие с другими частицами в атомном мире.

Магнитный момент протона

Магнитный момент — это свойство атома или молекулы, которое определяется взаимодействием с зарядами внутри атома. В случае протона, магнитный момент обусловлен его спином, который представляет собой вращение электрона вокруг своей оси.

Магнитный момент протона можно рассчитать, используя формулу:

• где μ — магнитный момент протона,
• gs — константа, которая зависит от спина электрона,
• h — постоянная Планка,
• 2π — число пи.

Значение магнитного момента протона составляет примерно 2,792847301(4) μN (Ньютон на метр), что является очень маленьким значением по сравнению с другими частицами. Это связано с тем, что протон состоит из одного электрона и одного кварка, и оба они имеют очень маленький магнитный момент.

Стабильность протона

Стабильность протона — это его способность сохранять свою массу и заряд при взаимодействии с другими частицами. Протон является одним из фундаментальных кирпичиков материи и обладает следующими свойствами:

1. Масса протона составляет примерно 1,6726231 × 10^-27 кг.

2. Протон имеет положительный заряд +1.

3. Протон стабилен и не распадается на другие частицы.

Протон обладает высокой стабильностью, так как он не распадается на другие частицы и не испытывает спонтанных превращений. Это означает, что протон имеет определенный период полураспада, который равен бесконечности для протона.

Однако, если протон находится в сильном ядерном поле, таком как ядро атома, то его стабильность может быть нарушена. В этом случае протон может распадаться на нейтрон и электронное антинейтрино или на два пи-мезона.

Таким образом, стабильность протона — это свойство, которое делает его важным компонентом атомных ядер и позволяет ему существовать в течение длительного времени .

Протоны и нейтроны

Протоны и нейтроны являются двумя основными частицами, из которых состоит атомное ядро. Протон — это элементарная частица, которая имеет положительный электрический заряд и массу, равную приблизительно 1,6726 × 10^-27 кг. Нейтрон — это нейтральная частица без электрического заряда, но с массой, равной массе протона.

В ядре атома протоны и нейтроны взаимодействуют друг с другом, образуя различные химические элементы и соединения. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе посредством сильного ядерного взаимодействия. Это взаимодействие является одним из четырех фундаментальных сил природы, наряду с гравитационным, электромагнитным и слабым ядерными взаимодействиями.

Протоны и нейтроны могут быть обнаружены в различных состояниях. Например, в ядре водорода, состоящем из одного протона, нейтроны отсутствуют. В ядре углерода, состоящем из шести протонов, может содержаться от 2 до 6 нейтронов. В более тяжелых ядрах количество протонов может быть больше, чем нейтронов, но в целом соотношение количества протонов к количеству нейтронов остается примерно постоянным для каждого элемента.

Важно отметить, что протоны и нейтроны не являются отдельными частицами, а скорее представляют собой различные состояния одной и той же частицы. Например, электрон может существовать как электрон (отрицательно заряженная частица) или как позитрон (положительно заряженная античастица). То же самое относится и к протонам и нейтронам.

Изучение свойств протонов и нейтронов имеет важное значение для понимания структуры и свойств атомных ядер, а также для исследования ядерной физики и космологии.

Протоны и электроны

Протоны и электроны являются двумя основными частицами, составляющими атомное ядро и электронную оболочку атома соответственно. Взаимодействие протонов и электронов происходит на атомном уровне и является основой многих физических и химических процессов в природе.

Протон, как и электрон, является элементарной частицей и имеет заряд, равный единице. Протон имеет массу, равную примерно 1,6726 × 10^-27 кг, и движется со скоростью около 2,19 × 10^5 м/с. Электрон, с другой стороны, имеет отрицательный заряд и массу, равную 9,10938 × 10^-31 кг.

При взаимодействии протона и электрона может происходить обмен частицами или передача энергии. Например, при столкновении протона с электроном, электрон может потерять энергию, превращаясь в позитрон (антиэлектрон), а протон может получить энергию, превратившись в нейтрон. Этот процесс называется аннигиляцией протона и антипротона.

Кроме того, протон и электрон могут взаимодействовать друг с другом через электромагнитное поле, создавая электромагнитные волны и излучение.

Таким образом, взаимодействие между протонами и электронами является сложным и многообразным, включающим электромагнитные и ядерные эффекты. Играет важную роль в различных областях физики и химии, таких как ядерная физика, астрофизика, химия и материаловедение.

Протоны, электроны и нейтроны

Протоны, нейтроны и электроны — это три основных компонента атомного ядра. Они взаимодействуют между собой различными способами, включая электромагнитное, слабое и сильное ядерное взаимодействия.

Протоны и нейтроны составляют ядро атома, а электроны находятся на внешней оболочке вокруг ядра. Протоны имеют положительный заряд и состоят из двух кварков, а нейтроны не имеют заряда и состоят из одного кварка. Электроны имеют отрицательный заряд и являются элементарными частицами.

Электромагнитное взаимодействие является основным типом взаимодействия между протонами и нейтронами. Оно происходит благодаря тому, что каждый протон и нейтрон имеют свой магнитный момент, который взаимодействует с магнитными моментами других частиц. Это приводит к образованию устойчивых атомных структур, таких как атомы и молекулы.

Сильное ядерное взаимодействие играет важную роль в формировании структуры ядра, а также в ядерных реакциях. Оно возникает между кварками и глюонами, которые являются частицами, составляющими протоны и нейтроны. Слабое ядерное взаимодействие отвечает за распад радиоактивных элементов путем испускания электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино.

В целом, взаимодействие между протонами, нейтронами и электронами является сложным и многообразным. Они взаимодействуют друг с другом, образуя устойчивые структуры и участвуя в различных ядерных реакциях и процессах.

Все эти частицы взаимодействуют друг с другом, образуя сложные системы и структуры. Например, при расщеплении атома на составные части, протоны, нейтроны и электроны взаимодействуют, создавая новые частицы и высвобождая энергию.

Квантовая теория протона

В квантовой теории протон описывается как квантовое состояние с определенным спином и изоспином.

Спин протона равен 1/2, что означает, что он имеет два возможных состояния: спин вверх и спин вниз. Эти состояния описываются волновой функцией, которая может быть записана в виде:

Ψ(r, θ, φ) = R(r)Y1/2(θ,φ)

• где R(r) — радиальная часть волновой функции,
• а Y1/2(θ, φ) — сферическая гармоника с изоспином 1/2.

Изоспин протона равен ½, что означает, что у него есть два возможных изоспиновых состояния: изоспин вверх и изоспин вниз. Эти изоспиновые состояния также описываются волновой функцией:

• где I(r) — изоспиновая часть волновой функции.

Таким образом, квантовая теория протона описывает его как квантовое состояние, которое может иметь два спина и два изоспина.

Квантовая механика утверждает, что протон не имеет определенного местоположения или импульса, а вместо этого он находится в состоянии суперпозиции, которое описывается волновой функцией.

Волновая функция описывает вероятность нахождения протона в определенном месте и момент времени. Она может быть представлена в виде функции, которая описывает амплитуду вероятности нахождения протона в определенной точке пространства, умноженную на экспоненциальный множитель, который описывает фазу волновой функции.

Квантовая теория протона также описывает взаимодействие протона с другими частицами и полями. Например, протон может взаимодействовать с электромагнитным полем, создавая электромагнитные волны. Также протон может взаимодействовать с другими протонами, образуя ядра атомов.

Таким образом, квантовая теория протона описывает сложное поведение протонов и их взаимодействие с другими частицами. Она является основой для многих научных исследований и технологических разработок.

Протон в ДНК и РНК

Протон (H+) — это элементарная частица, которая является одним из основных компонентов ДНК и РНК, играет важную роль в структуре этих молекул.

В ДНК протон является частью молекулы, которая состоит из двух нитей, называемых цепями. Каждая цепь состоит из нуклеотидов, которые содержат сахар, фосфат и азотистое основание. Азотистое основание может быть аденином (А), гуанином (G), цитозином (С) или тимином (T). Протон находится в сахаре нуклеотида.

РНК также состоит из двух цепей, но вместо нуклеотидов с азотистыми основаниями, Содержит рибозу, вместо дезоксирибозы, и урацил вместо тимина. Протон также находится в рибозе РНК.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это молекула, которая хранит генетическую информацию в виде цепочки нуклеотидов, состоящих из двух типов нуклеотидных оснований: аденина (A), гуанина (G), цитозина (C) и тимина (T). Каждый нуклеотид содержит одно из этих четырех оснований и фосфатную группу, которая связывает его с другим нуклеотидом.

Протон находится в фосфатной группе нуклеотида, который входит в состав ДНК. Фосфатная группа состоит из остатков фосфорной кислоты, которые образуют фосфатные группы внутри молекулы ДНК. Протон, связанный с фосфатной группой, играет важную роль в поддержании структуры и стабильности молекулы.

РНК (рибонуклеиновая кислота) также содержит цепочку нуклеотидов с теми же четырьмя основаниями, что и в ДНК, но вместо тимина в РНК используется урацил (U). Как и в случае с ДНК, протон находится в фосфатной группе, связанной с нуклеотидами РНК.

Таким образом, протон является важной частью структуры ДНК и РНК, участвуя в их стабильности и поддержании их структуры.

Протоны в ДНК и РНК играют важную роль в процессе репликации, так как они обеспечивают стабильность и структуру молекулы. Протоны участвуют в формировании водородных связей между нуклеотидами в двойной спирали ДНК и одиночной нити РНК, что обеспечивает стабильность молекулы и ее способность к репликации. Кроме того, протоны участвуют в хранении и передаче генетической информации в клетке.

Применение протона — важный элемент жизни на Земле

Протон (от греч. proton — первый) — это элементарная частица, которая входит в состав всех атомов. В химии и физике протон обозначается символом H. На Земле протон является одним из ключевых элементов в жизни, так как он является основной составляющей всех живых организмов.

Протоны находятся в ядрах атомов, которые являются строительными блоками всех молекул и клеток живых организмов. В клетках большинства живых организмов протоны находятся в виде ядер атомов водорода, которые также называются молекулами воды или H2O. В некоторых клетках, например, в бактериях, протоны могут находиться в виде ионов, то есть заряженных частиц.

Значение протона для жизни на земле заключается в следующем:

• Протон является основным строительным блоком всех живых организмов на Земле. Протоны входят в состав молекул ДНК, РНК, белков и других важных соединений, которые необходимы для функционирования живых организмов.
• Участвует в процессе фотосинтеза, который является одним из ключевых процессов в экосистеме Земли. Фотосинтез позволяет растениям использовать солнечный свет для производства органических веществ, которые затем используются для питания других организмов.
• Протон играет важную роль в поддержании баланса между жизнью и смертью на планете. Например, при повреждении ДНК или других молекул, содержащих протоны, происходит процесс восстановления, который может привести к восстановлению функции клеток, органов и всего организма.
• Также участвует в образовании воды на Земле. Вода является ключевым элементом для всех процессов на планете, включая жизнь. Является частью молекулы воды и поэтому необходим для ее образования и поддержания.

Таким образом, протон играет ключевую роль в жизни на Земле и является важным компонентом для поддержания баланса между жизнью и смертью, а также для образования воды и других органических молекул.

Протон в метаболизме человека

Протон (H+) — это один из основных участников метаболизма в организме человека. Он играет важную роль в различных процессах, таких как:

• Образование и расщепление молекул. Участвуют в реакциях окисления и восстановления, которые необходимы для производства энергии в клетках.
• Регуляция pH крови и тканей. Могут изменять концентрацию ионов водорода в крови, что влияет на кислотно-щелочной баланс организма.
• Транспорт веществ. Помогают переносить ионы через клеточные мембраны, что необходимо для транспортировки питательных веществ и других соединений внутри клеток и между ними.
• Регуляция работы мышц. Играют важную роль в сокращении и расслаблении мышц, что позволяет им выполнять свою функцию.
• Участие в иммунных реакциях. Например, в защите от инфекций или аллергических реакциях.

Кроме того, протоны играют важную роль в регуляции активности ферментов. Многие ферменты являются протонофорами, т.е. они активируются при наличии протонов в активном центре. Например, фермент карбоангидраза активируется при наличии двух протонов в его активном центре, что позволяет ему связывать CO2 и образовывать угольную кислоту.

Таким образом, протоны являются важным компонентом метаболических реакций и играют ключевую роль в регулировании активности ферментов и синтезе органических молекул. Играет ключевую роль в поддержании гомеостаза организма.

Протон — Proton

Процесс обратим; нейтроны могут превращаться обратно в протоны посредством бета-распада, распространенной формы радиоактивного распада. Фактически, свободный нейтрон распадается таким образом со средним временем жизни около 15 минут.

Кварки и масса протона

В квантовой хромодинамике, современной теории ядерных сил, большая часть массы протонов и нейтронов объясняется специальной теорией относительности. Масса протона примерно в 80–100 раз больше суммы масс покоя составляющих его кварков, в то время как глюоны имеют нулевую массу покоя. Дополнительная энергия кварков и глюонов в области внутри протона по сравнению с энергией покоя одних кварков в вакууме КХД составляет почти 99% масс. Таким образом, масса покоя протона является инвариантной массой системы движущихся кварков и глюонов, составляющих частицу, и в таких системах даже энергия безмассовых частиц все еще измеряется как часть массы покоя системы.

Два термина используются для обозначения массы кварков, из которых состоят протоны: текущая кварковая масса относится к массе самого кварка, а составляющий кварк масса относится к текущей массе кварка плюс масса глюона поля частиц, окружающего кварк. Эти массы обычно имеют очень разные значения. Как уже отмечалось, большая часть массы протона происходит от глюонов, которые связывают текущие кварки вместе, а не от самих кварков. Хотя глюоны по своей природе безмассовые, они обладают энергией, а точнее энергией связи квантовой хромодинамики (QCBE), и именно она вносит большой вклад в общую массу протонов (см. масса в специальная теория относительности ). Протон имеет массу приблизительно 938 МэВ / c, из которых масса покоя его трех валентных кварков дает только около 9,4 МэВ / c; большая часть остатка может быть отнесена к глюонам QCBE.

. Волновая функция модели составляющего кварка для протона

| p ↑⟩ = 1 18 [2 | u ↑ d ↓ u ↑⟩ + 2 | u ↑ u ↑ d ↓⟩ + 2 | d ↓ u ↑ u ↑⟩ — | u ↑ u ↓ d ↑⟩ — | u ↑ d ↑ u ↓⟩ — | u ↓ d ↑ u ↑⟩ — | d ↑ u ↓ u ↑⟩ — | d ↑ u ↑ u ↓⟩ — | u ↓ u ↑ d ↑⟩]. < displaystyle | p _ < uparrow> rangle = < frac <1>< sqrt <18>>> [2 | u _ < uparrow>d _ < downarrow>u _ < uparrow> rangle +2 | u_ < uparrow>u _ < uparrow>d _ < downarrow> rangle +2 | d _ < downarrow>u _ < uparrow>u _ < uparrow> rangle — | u _ < uparrow>u _ < downarrow>d_ < uparrow> rangle — | u _ < uparrow>d _ < uparrow>u _ < downarrow> rangle — | u _ < downarrow>d _ < uparrow>u _ < uparrow> rangle — | d _ < uparrow>u _ < downarrow>u _ < uparrow> rangle — | d _ < uparrow>u _ < uparrow>u _ < downarrow> rangle — | u _ < downarrow>u _ < uparrow>d _ < uparrow> rangle ].>

Внутренняя динамика протонов сложна, потому что она определяется кварками, обменивающимися глюонами и взаимодействующими с различными вакуумными конденсатами. КХД на решетке позволяет вычислить массу протона прямо из теории с любой принципиальной точностью. Согласно самым последним расчетам, масса определяется с точностью выше 4%, даже с точностью до 1% (см. Рисунок S5 в работе Dürr et al.). Эти утверждения до сих пор спорны, потому что расчеты еще не могут быть выполнены с кварками, такими легкими, как в реальном мире. Это означает, что прогнозы находятся в процессе экстраполяции, который может вносить систематические ошибки. Трудно сказать, правильно ли контролируются эти ошибки, потому что величины, которые сравниваются с экспериментом, представляют собой массы адронов, которые известны заранее.

Эти недавние вычисления выполняются на огромных суперкомпьютерах, и, как отметили Боффи и Паскини: «подробное описание структуры нуклона все еще отсутствует, потому что. поведение на больших расстояниях требует непертурбативного и / или численного лечение. «Более концептуальными подходами к структуре протонов являются: подход топологического солитона, первоначально разработанный Тони Скирмом и более точный подход AdS / QCD который расширяет его и включает теорию струн глюонов, различные модели, вдохновленные КХД, такие как модель мешка и модель составляющих кварков, которые были популярны в 1980-х годах. и правила сумм SVZ, которые позволяют производить грубые приблизительные вычисления массы. Эти методы не обладают такой же точностью, как методы КХД с использованием более грубой силы решетки, по крайней мере, пока.

Зарядный радиус

Задача определения радиуса для атомного ядра (протона) аналогична проблеме атомного радиуса в том, что ни атомы, ни их ядра не имеют определенные границы. Однако ядро ​​можно смоделировать как сферу положительного заряда для интерпретации экспериментов по рассеянию электронов : поскольку нет определенной границы с ядром, электроны «видят» диапазон поперечных сечений для которое можно принять в качестве среднего. Определение «среднеквадратичное значение» (для «среднеквадратичное ») возникает потому, что это ядерное поперечное сечение, пропорциональное квадрату радиуса, которое является определяющим для рассеяния электронов.

Международно принятое значение зарядового радиуса протона составляет 0,8768 фм (см. порядки величины для сравнения с другими размерами). Это значение основано на измерениях, включающих протон и электрон (а именно, измерениях рассеяния электронов и сложных расчетах, включающих сечение рассеяния, основанное на уравнении Розенблюта для сечения передачи импульса. ), и исследования атомных энергетических уровней водорода и дейтерия.

Однако в 2010 году международная исследовательская группа опубликовала результаты измерения зарядового радиуса протона с помощью лэмбовского сдвига в мюонном водороде (экзотический атом, состоящий из протона и отрицательно заряженный мюон ). Поскольку мюон в 200 раз тяжелее электрона, его длина волны де Бройля соответственно короче. Эта меньшая атомная орбиталь намного более чувствительна к радиусу заряда протона, поэтому позволяет более точное измерение. Их измерение среднеквадратичного зарядового радиуса протона составляет 0,84184 (67) фм, что отличается на 5,0 стандартных отклонений от значения CODATA. 0,8768 (69) фм ». В январе 2013 г. было опубликовано обновленное значение зарядового радиуса протона 0,84087 (39) фм. Прецизионность была улучшена в 1,7 раза, значимость расхождения увеличилась до 7σ. Корректировка CODATA 2014 г. немного снизила рекомендуемое значение радиуса протона (рассчитанного только с использованием электронных измерений) до 0,8751 (61) фм, но это оставляет расхождение в 5,6σ.

Международная исследовательская группа, получившая этот результат в Институте Пола Шерера в Виллигене, включает ученых из Института квантовой оптики Макса Планка, Университет Людвига-Максимилиана, Университет Штутгарта и Университет Коимбры, Португалия. Теперь команда пытается объяснить это несоответствие и повторно исследует результаты как предыдущих высокоточных измерений, так и сложных вычислений, включающих рассеяние сечение. Если в измерениях или расчетах не обнаружено ошибок, может потребоваться повторное исследование самой точной и проверенной фундаментальной теории в мире: квантовой электродинамики. Радиус протона остается загадкой по состоянию на 2017 год. Возможно, несоответствие связано с новой физикой, или объяснение может быть обычным физическим эффектом, который был упущен.

Радиус связан с форм-фактором и сечение передачи импульса. Атомный форм-фактор G изменяет сечение, соответствующее точечному протону.

Атомарный форм-фактор связана с плотностью волновой функции цели:

G (q 2) = ∫ eiqr ψ (r) 2 dr 3 < displaystyle G (q ^ <2>) = int e ^ psi (r) ^ <2>, dr ^ <3>>

Форм-фактор можно разделить на электрический и магнитный. В дальнейшем они могут быть записаны как линейные комбинации формфакторов Дирака и Паули.

G m = F D + F P G e = F D — τ F P d σ d Ω = d σ d Ω | NS 1 1 + τ (G е 2 (q 2) + τ ϵ G м 2 (q 2)) < displaystyle < begin <align>G_ = F_ + F_

\ G_ = F_ — tau F_

\ < frac <d>> = << frac <d>> , < Bigg vert>,> _ < frac <1><1+ tau>> left (G_ ^ <2> left (q ^ <2> right) + < frac < tau>< epsilon>> G_ ^ <2> left (q ^ <2> right) right) end >>

Давление внутри протона

Поскольку протон состоит из кварков, удерживаемых глюонами, можно определить эквивалентное давление, которое действует на кварки. Это позволяет рассчитать их распределение как функцию расстояния от центра, используя комптоновское рассеяние электронов высоких энергий (DVCS, для глубоко виртуального комптоновского рассеяния). Давление максимально в центре, примерно на 10 Па, что больше, чем давление внутри нейтронной звезды. Он положительный (отталкивающий) на радиальном расстоянии около 0,6 фм, отрицательный (притягивающий) на больших расстояниях и очень слабый на расстоянии более 2 фм.

Зарядный радиус в сольватированном протоне, гидроксоний

Радиус гидратированного протона появляется в уравнении Борна для расчета энтальпии гидратации гидрокония.

Взаимодействие свободные протоны с обычным веществом

Хотя протоны имеют сродство к противоположно заряженным электронам, это взаимодействие с относительно низкой энергией, поэтому свободные протоны должны потерять достаточную скорость (и кинетическую энергию ), чтобы становятся тесно связаны и связаны с электронами. Протоны высоких энергий, пересекая обычное вещество, теряют энергию из-за столкновений с атомными ядрами и из-за ионизации атомов (удаления электронов) до тех пор, пока они не замедлятся достаточно, чтобы быть захваченными электронное облако в нормальном атоме.

Однако в такой ассоциации с электроном характер связанного протона не меняется, и он остается протоном. Притяжение свободных протонов низкой энергии к любым электронам, присутствующим в нормальном веществе (например, электронам в нормальных атомах), заставляет свободные протоны останавливаться и образовывать новую химическую связь с атомом. Такая связь возникает при любой достаточно «холодной» температуре (т.е. сравнимой с температурами на поверхности Солнца) и с любым типом атома. Таким образом, при взаимодействии с любым типом нормального (неплазменного) вещества низкоскоростные свободные протоны притягиваются к электронам в любом атоме или молекуле, с которыми они вступают в контакт, заставляя протон и молекулу объединяться. Такие молекулы называются «протонированными », и в результате химически они часто становятся так называемыми кислотами Бренстеда.

Протонами в химии

Атомный номер

В химии количество протонов в ядре атома известно как атомный номер, который определяет химический элемент, которому принадлежит атом. Например, атомный номер хлора равен 17; это означает, что каждый атом хлора имеет 17 протонов и что все атомы с 17 протонами являются атомами хлора. Химические свойства каждого атома определяются количеством (отрицательно заряженных) электронов, которое для нейтральных атомов равно количеству (положительных) протонов, так что общий заряд равен нулю. Например, нейтральный атом хлора имеет 17 протонов и 17 электронов, тогда как анион Cl имеет 17 протонов и 18 электронов при общем заряде -1.

Однако все атомы данного элемента не обязательно идентичны. количество нейтронов может изменяться для образования разных изотопов, а уровни энергии могут различаться, что приводит к различным ядерным изомерам. Например, есть два стабильных изотопа хлора :. 17Cl. с 35-17 = 18 нейтронами и. 17Cl. с 37-17 = 20 нейтронами.

Ион водорода

Протий, наиболее распространенный изотоп водорода, состоит из одного протона и одного электрона (у него нет нейтронов). Термин «ион водорода» (H.) подразумевает, что этот атом водорода потерял один электрон, в результате чего остался только протон. Таким образом, в химии термины «протон» и «ион водорода» (для изотопа протия) используются как синонимы Протон — это уникальное химическое соединение, являющееся голым ядром. Как следствие, он не имеет независимого существования в конденсированном состоянии и неизменно оказывается связанным парой электронов с другим атомом.

Росс Стюарт, Протон: приложение к органической химии (1985, стр. 1)

In в химии термин протон относится к иону водорода H.. Поскольку атомный номер водорода равен 1, ион водорода не имеет электронов и соответствует голому ядру, состоящему из протона (и 0 нейтронов для наиболее распространенного изотопа протия . 1H. ). Протон представляет собой «голый заряд» с радиусом всего лишь около 1/64 000 от радиуса атома водорода, поэтому он чрезвычайно химически активен. Таким образом, свободный протон имеет чрезвычайно короткое время жизни в химических системах, таких как жидкости, и немедленно реагирует с электронным облаком любой доступной молекулы. В водном растворе он образует ион гидроксония, H 3 O, который, в свою очередь, дополнительно сольватируется молекулами воды в кластерах, таких как как [H 5O2] и [H 9O4].

Перенос H. в кислотно-основной реакции обычно называют «переносом протона». кислота называется донором протона, а основание — акцептором протона. Аналогично, биохимические термины, такие как протонный насос и протонный канал, относятся к движению гидратированных ионов H..

Ион, образующийся при удалении электрона из атома дейтерия, известен как дейтрон, а не протон. Аналогичным образом удаление электрона из атома трития дает тритон.

Протонный ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Также в химии термин «протонный ЯМР » относится к наблюдению ядер водорода-1 в (в основном органических ) молекул с помощью ядерного магнитного резонанса. В этом методе используется спин протона, который имеет значение половину (в единицах hbar ). Название относится к исследованию протонов, присутствующих в протии (атомах водорода-1) в соединениях, и не подразумевает, что свободные протоны существуют в исследуемом соединении.

Воздействие на человека

Пакет для экспериментов с лунной поверхностью Apollo (ALSEP) определил, что более 95% частиц в солнечном ветре являются электронами. и протоны в приблизительно равных количествах.

Поскольку спектрометр солнечного ветра проводил непрерывные измерения, стало возможным измерить, как магнитное поле Земли влияет на прибывающие частицы солнечного ветра. Примерно две трети каждой орбиты Луна находится за пределами магнитного поля Земли. В это время типичная плотность протонов составляла от 10 до 20 на кубический сантиметр, при этом большинство протонов имели скорости от 400 до 650 километров в секунду. Примерно пять дней каждого месяца Луна находится внутри геомагнитного хвоста Земли, и обычно частицы солнечного ветра не обнаруживаются. На оставшейся части каждой лунной орбиты Луна находится в переходной области, известной как магнитослой, где магнитное поле Земли влияет на солнечный ветер, но не исключает его полностью. В этой области поток частиц снижается с типичной скоростью протонов от 250 до 450 километров в секунду. В течение лунной ночи спектрометр был защищен от солнечного ветра Луной, и частицы солнечного ветра не измерялись.

Протоны также имеют внесолнечное происхождение из галактических космических лучей, где они составляют около 90% от полного потока частиц. Эти протоны часто имеют более высокую энергию, чем протоны солнечного ветра, и их интенсивность гораздо более однородна и менее изменчива, чем протоны, исходящие от Солнца, на образование которых сильно влияют солнечные протонные события, такие как корональные выбросы массы.

Были проведены исследования влияния мощности дозы протонов, обычно обнаруживаемых в космических путешествиях, на здоровье человека. Чтобы быть более конкретным, есть надежда определить, какие конкретные хромосомы повреждены, и определить повреждение во время развития рака от воздействия протонов. Другое исследование направлено на определение «эффектов воздействия протонного излучения на нейрохимические и поведенческие конечные точки, включая дофаминергическое функционирование, вызванное амфетамином условное обучение отвращению вкуса, а также пространственное обучение и память, как измерено. с помощью водного лабиринта Морриса. Электрическая зарядка космического корабля из-за межпланетной протонной бомбардировки также предлагается для изучения. Есть еще много других исследований, касающихся космических путешествий, включая галактические космические лучи и их возможные последствия для здоровья и воздействие солнечных протонов.

Эксперименты в космических путешествиях American Biostack и Soviet Biorack продемонстрировали серьезность молекулярное повреждение микроорганизмов, включая артемии цисты, вызванные тяжелыми ионами.

антипротон

CPT-симметрия накладывает сильные ограничения на относительные свойства частиц и античастиц и, следовательно, подлежит строгим испытаниям. Например, заряды протона и антипротона должны в сумме равняться нулю. Это равенство было проверено до одной части из 10. Равенство их масс также было проверено лучше, чем одна из десяти. Удерживая антипротоны в ловушке Пеннинга, мы получаем равенство заряда и Массовое соотношение протонов и антипротонов было проверено как одна часть на 6 × 10. магнитный момент антипротонов был измерен с погрешностью 8 × 10 ядер магнетонов Бора и оказался равным магнитному моменту протона и противоположным ему.