Klasyfikacja | Cząstka kompozytowa ( barion ) |
---|---|
Kompozycja |
2 kwarki w górę (u) 1 kwark w dół (d) |
Rodzina | Fermion |
Grupa | Barion ( nukleon ) |
Interakcje | Silne , elektromagnetyczne , słabe , grawitacyjne |
Symbol | p, p + |
Antycząstka | Antyproton |
Masa |
938,272 MeV / c 2 (1.672 649 x 10 -27 kilogram ) (1,0072765 u ) |
---|---|
Ładunek elektryczny | + e = 1,602 176 565 × 10-19 C |
Promień obciążenia |
0,877 fm 0,84184 fm (patrz problem z rozmiarem protonu ) |
Moment dwubiegunowy | < 5,4 × 10-24 C m |
Polaryzowalność elektryczna | 1,2 (6) × 10-3 fm 3 |
Moment magnetyczny | 2792 847 351 (28) | j N |
Polaryzowalność magnetyczna | 1,9 (5) × 10-4 fm 3 |
Opłata za kolor | 0 |
Obracać | ½ |
Isospin | ½ |
Parytet | +1 |
Dożywotni |
Teoria: nieskończona (stabilna cząstka) lub ~ 10 34 lata Doświadczenie:> 5,9 × 10 33 lata |
Forma skondensowana | ½ |
Prognoza | William Prout , 1815 |
---|---|
Odkrycie | 1919 |
Odkrywca | Ernest Rutherford |
Protonowej jest subatomową cząstek niesie dodatni ładunek elementarny elektrycznego .
Protony są obecne w jąder atomowych , zwykle związana neutronów przez silne oddziaływania (wyjątkiem, lecz z najbardziej obficie nuklidu w świata , jest zwykłą wodoru jądro ( Protium 1 H), jeden proton). Liczba protonów w jądrze jest reprezentowane przez jego liczba atomowa Z .
Proton nie jest cząstką elementarną, ale cząstką złożoną . Składa się z trzech cząstek połączonych gluonami , dwóch kwarków górnych i jednego dolnego , co czyni go barionem .
W ramach Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych , a także eksperymentalnie przy obecnym stanie naszej wiedzy, proton jest również stabilny w stanie wolnym, poza jakimkolwiek jądrem atomowym. Niektóre rozszerzenia Modelu Standardowego przewidują (wyjątkowo niską) niestabilność wolnego protonu .
Pojęcie cząstki podobnym do wodoru inne atomy tworzące, rozwijały się w ciągu XIX p wieku i początku XX p wieku. Już w 1815 roku William Prout postawił hipotezę, że wszystkie atomy składają się z atomów wodoru, na podstawie interpretacji wartości mas atomowych; założenie to okazuje się fałszywe, gdy wartości te są mierzone z większą dokładnością.
W 1886 roku Eugen Goldstein odkrył promienie kanałowe i wykazał, że składają się one z dodatnio naładowanych cząstek ( jonów ) wytwarzanych przez gazy. Ponieważ jednak jony wytwarzane przez różne gazy mają różne stosunki ładunku do masy, nie są one identyfikowane jako pojedyncza cząstka, w przeciwieństwie do elektronu odkrytego przez Josepha Thomsona w 1897 roku .
Po odkryciu jądra atomowego przez Ernesta Rutherforda w 1911 roku Antonius van den Broek postawił hipotezę, że miejsce każdego pierwiastka w układzie okresowym jest równe ładunkowi jego jądra. Hipoteza ta została potwierdzona eksperymentalnie przez Henry'ego Moseleya w 1913 roku .
W 1919 roku Rutherford udowodnił, że jądro atomu wodoru jest obecne w innych jądrach. Zauważa, że kiedy cząsteczki alfa są wysyłane do azotu , jego detektory scyntylacyjne wskazują sygnaturę jąder wodoru. Następnie stwierdza, że wodór może pochodzić tylko z azotu. To jądro wodoru jest zatem obecne w innym jądrze. Rutherford chrzci odpowiednią cząstkę nazwą proton, po nijakiej liczbie pojedynczej greckiego słowa oznaczającego „ liczbę pierwszą”, πρῶτον .
Proton jest Fermion z wirowania 12. Składa się z trzech kwarków walencyjnych, co czyni go barionem . Dwa górne kwarki i dolny kwark protonu są połączone silnym oddziaływaniem , przenoszonym przez gluony , te gluony wymieniane między kwarkami, które dzięki energii wiązania, które reprezentują, będą stanowić około 99% masy protonu . Oprócz tych trzech kwarków walencyjnych (które określają liczbę kwantową cząstki) i gluonów, proton, podobnie jak inne hadrony , składa się z „morza” par wirtualnych kwarków-antykwarków, które pojawiają się i znikają na stałe. Liczby kwantowe tych wirtualnych par średnio znoszą się wzajemnie, nie przyczyniając się zatem do liczby protonu.
Podobnie jak neutron , proton jest nukleonem i może być połączony z innymi nukleonami siłą jądrową wewnątrz jądra atomowego . Jądrem najpowszechniejszego izotopu wodoru jest pojedynczy proton. Jądra cięższych izotopów, deuteru i trytu, zawierają proton związany odpowiednio z jednym i dwoma neutronami. Wszystkie inne jądra atomowe składają się z dwóch lub więcej protonów i pewnej liczby neutronów. Liczba protonów w jądrze determinuje (poprzez związane z nim elektrony) właściwości chemiczne atomu, a tym samym, jaki pierwiastek chemiczny on reprezentuje.
Masa protonu jest równa w przybliżeniu 1,007 276 5 u , czyli w przybliżeniu 938,272 0 M eV / c 2 lub 1,672 62 × 10 −27 kg . Masa protonu jest około 1836,15 razy większa od masy elektronu . Jego ładunek elektryczny jest bardzo dokładnie równa dodatnim ładunku elementarnego ( e ), to jest 1,602 176 565 × 10 -19 C ; elektron ma ujemny ładunek elektryczny o wartości przeciwnej do protonu. Ładunek elektryczny protonu jest równy sumie ładunków elektrycznych jego kwarków: ładunek każdego górnego kwarka jest równy +23e i kwarku w dół -13e . Jego promień wynosi około 0,84 fm .
Będąc cząstką kompozytową , proton nie jest punktem . Jego rozmiar można zdefiniować jako jego promień obciążenia , tj. Średni kwadratowy promień jego rozkładu obciążenia.
Od kilkudziesięciu lat do 2010 r. Pomiary promienia ładunku protonowego, uzyskane różnymi metodami, są zgodne w okolicach 0,88 fm , z najlepszym oszacowaniem 0,8768 (69) fm . W 2010 roku nowa metoda, wykorzystująca wodór mionowy , dała nową, bardzo dokładną wartość, ale niezgodną z poprzednimi: 0,841 84 (67) fm .
Kolejne lata przyniosły kumulację wyników uzyskanych różnymi metodami, które zostały rozłożone między wartościami wysokimi (około 0,877 fm ) i niskimi (0,83–0,84 fm ), w zasadzie bardzo precyzyjnymi, ale niekompatybilnymi, bez „możemy jeszcze zdecydować między nimi na koniec 2019 roku.
Proton zawiera nie tylko trzy tak zwane kwarki „walencyjne” (dwa u i jeden d), których masa stanowi zaledwie kilka% całkowitej masy. Zawiera również wiele efemerycznych cząstek, gluonów, a także par kwark-antykwark (kwarki „morskie”) z rozpadu gluonów.
Każda para kwark-antykwark składa się z kwarka u i jego antycząstki lub z kwarku d i jego antycząstki. W przypadku kwarków u i d o bardzo zbliżonych masach pary obu rodzajów powinny występować w podobnie podobnych proporcjach. W 2021 r. Analiza zderzeń proton-proton wykazała, że d antykwarki są bardziej obfite niż u antykwarki („asymetria smaku”). Wynik ten, wciąż niewyjaśniony, jest niewątpliwie związany z problemem asymetrii materia-antymateria .
Ponieważ proton składa się z kwarków ograniczonych przez obecność gluonów , możemy określić odpowiednik ciśnienia odczuwanego przez kwarki. Można obliczyć rozkład, w zależności od odległości od środka, za pomocą Comptona z elektronami bardzo energiczne (DVCS do głęboko wirtualnego Comptona ).
Wolny proton (niezwiązany z innymi nukleonami ani z elektronami) jest stabilną cząstką, której samorzutny rozpad na inne cząstki nigdy nie został zaobserwowany. Jego okres półtrwania został zmierzony jako dłuższy niż 6,6 x 10 33 lat. Jego średnia żywotność wynosi co najmniej około 2,1 × 10 29 lat.
Z drugiej strony protony mogą zostać przekształcone w neutrony poprzez przechwytywanie elektroniczne . Ten proces nie jest spontaniczny i wymaga wkładu energii. W wyniku reakcji powstaje neutron i neutrino elektronowe :
Proces jest odwracalny: neutrony mogą przekształcić się w protony poprzez rozpad beta , formę rozpadu radioaktywnego . W rzeczywistości wolny neutron rozpada się w ten sposób ze średnim czasem życia około 15 minut.
W chemii i biochemii termin proton najczęściej odnosi się do kationu H + , ponieważ atom wodoru pozbawiony pojedynczego elektronu sprowadza się do protonu. Od tej nazwy wyprowadzić typowe wyrażenia w proticity chemii , protonowy rozpuszczalnik / rozpuszczalnik aprotonowy , protonowanie / deprotonowanie reakcji , protonowy NMR , etc.
W roztworze wodnym proton zwykle nie jest rozróżnialny, ponieważ bardzo łatwo łączy się z cząsteczkami wody, tworząc jon oksoniowy (również i niepoprawnie nazywany jonem hydroniowym ) H 3 O +.
Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej wyraźnie stwierdza, że słowo protonowej nie powinny być wykorzystywane do oznaczają H + gatunków w swojej naturalnej obfitości. Rzeczywiście, oprócz protonów ( 1 H + , oznaczane również po prostu H + przy braku niejednoznaczności), jony odpowiadające izotopowi wodoru zwanemu protium ( 1 H lub po prostu H w przypadku braku niejednoznaczności), jony H + z naturalnego wodoru mogą być deuterony ( 2 H + lub D + ) lub trytony ( 3 H + lub T + ), odpowiadające odpowiednio izotopom zwanym deuterem ( 2 H lub D) i trytem ( 3 H lub T).