Заряд протона - базисная величина физики элементарных частиц. Масса протона Чему равна масса протона в физике

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода.

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

ПРИМЕР 1

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:
Ответ	Н

ПРИМЕР 2

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 настоящей статье на основе эфиродинамической сущности электрического заряда и структур элементарных частиц приводится расчет величин электрических зарядов протона, электрона и фотона.

Ложное знание опаснее невежества
Дж. Б. Шоу

Введение. В современной физике электрический заряд является одной из важнейших характеристик и неотъемлемым свойством элементарных частиц. Из физической сущности электрического заряда , определенной на основе эфиродинамической концепции , следует ряд свойств, таких как пропорциональность величины электрического заряда массе его носителя; электрический заряд не квантуется, а переносится квантами (частицами); величина электрического заряда знакоопределенная, т. е. всегда положительная; которые накладывают существенные ограничения на природу элементарных частиц. А именно: в природе не существует элементарных частиц, не имеющих электрического заряда; величина электрического заряда элементарных частиц величина положительная и больше нуля. Исходя из физической сущности величина электрического заряда определяется массой, скоростью потока эфира, составляющего структуру элементарной частицы и их геометрическими параметрами. Физическая сущность электрического заряда (электрический заряд это мера потока эфира ) однозначно определяет эфиродинамическую модель элементарных частиц , тем самым снимая вопрос структуры элементарных частиц с одной стороны и указывает на несостоятельность стандартной , кварковой и прочих моделей элементарных частиц с другой.

Величина электрического заряда также определяет интенсивность электромагнитного взаимодействия элементарных частиц. С помощью электромагнитного взаимодействия осуществляется взаимодействие протонов и электронов в атомах и молекулах. Тем самым электромагнитное взаимодействие определяет возможность устойчивого состояния таких микроскопических систем. Размеры их существенным образом определяются величиной электрических зарядов электрона и протона.

Ошибочная трактовка современной физикой свойств, таких как существование положительного и отрицательного, элементарного, дискретного, квантованного электрического заряда и т. д. , некорректная интерпретация экспериментов по измерению величины электрического заряда привели к ряду грубейших ошибок в физике элементарных частиц (бесструктурность электрона, нулевая масса и заряд фотона, существование нейтрино, равенство по абсолютной величине электрических зарядов протона и электрона элементарному).

Из выше изложенного следует, что электрический заряд элементарных частиц в современной физике имеет определяющее значение в понимании основ микромира и требует взвешенной и обоснованной оценки их величин.

В естественных условиях протоны и электроны находятся в связанном состоянии, образуя протон-электронные пары. Непонимание этого обстоятельства, а также ошибочное представление, что заряды электрона и протона равны по абсолютной величине элементарному, оставили современную физику без ответа на вопрос: какова реальная величина электрических зарядов протона, электрона и фотона?

Электрический заряд протона и электрона. В естественном состоянии протон-электронная пара существует в виде химического элемента атома водорода. Согласно теории : “Атом водорода является несводимой структурной единицей вещества, возглавляющей периодическую таблицу Менделеева. В этом отношении радиус атома водорода следует отнести к категории фундаментальных констант. … Рассчитываемый радиус Бора равен = 0,529 Å. Это важно, поскольку прямых методов измерения радиуса атома водорода нет. …радиус по Бору – это радиус окружности круговой орбиты электрона, и он определен в полном соответствии с общепринятым пониманием термина «радиус».”

Известно также, что измерения радиуса протона осуществлялись с помощью атомов обычного водорода, которые привели (CODATA -2014) к результату 0,8751 ± 0,0061 фемтометра (1 фм = 10 −15 м).

Для оценки величины электрического заряда протона (электрона) используем общее выражение электрического заряда :

q = (1/ k ) 1/2 u r (ρ S ) 1/2 , (1)

где k = 1 / 4πε 0 – коэффициент пропорциональности из выражения закона Кулона,

ε0 ≈ 8,85418781762039·10 −12 Ф·м −1 – электрическая постоянная; u – скорость, ρ — плотность потока эфира; S – сечение тела протона (электрона).

Преобразуем выражение (1) следующим образом

q = (1/ k ) 1/2 u r (mS / V ) 1/2 ,

где V = r S – объем тела, m — масса элементарной частицы.

Протон и электрон – это дуэтоны : — структура, состоящая из двух торообразных тел, соединенных боковыми поверхностями торов, симметричная относительно плоскости деления, поэтому

q = (1/ k ) 1/2 u r (m 2 S T /2 V T ) 1/2 ,

где S T – сечение, r — длина, V T = r S Т — объем тора.

q = (1/ k ) 1/2 u r (mS T / V T ) 1/2 ,

q = (1/k) 1/2 u r (mS T /rS T) 1/2 ,

q = (1/ k ) 1/2 u (mr ) 1/2 . (2)

Выражение (2) представляет собой модификацию выражения (1) для электрического заряда протона (электрона).

Пусть R 2 = 0.2 R 1 , где R 1 – внешний, а R 2 – внутренний радиусы тора.

r = 2π 0.6 R 1 ,

соответственно электрический заряд протона и электрона

q = (1/ k ) 1/2 u (m 2π 0.6 R 1 ) 1/2 ,

q = (2π 0.6 / k ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 ,

q = 2π (1.2 ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2

q = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 (3)

Выражение (3) представляет собой форму выражения величины электрического заряда для протона и электрона.

При u = 3∙10 8 м/ с – вторая звуковая скорость эфира , выражение 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u = 2.19 π(8,85418781762·10 −12 Ф/м) 1/2 3∙10 8 м/ с = 0,6142∙10 4 м 1/2 Ф 1/2 с -1 .

Предположим, что радиус протона (электрона) в представленной выше структуре это радиус R 1 .

Для протона известно, что m р = 1,672∙10 -27 кг, R 1 = r р = 0,8751∙10 -15 м, тогда

q р = 2.19 π (ε 0 ) 1/2 u (m R 1 ) 1/2 = 0,6142∙10 4 [м 1/2 Ф 1/2 с -1 ] ∙ (1,672∙10 -27 [ кг] ∙

0,8751∙10 -15 [м]) 1/2 = 0,743∙10 -17 Кл.

Таким образом, электрический заряд протона q р = 0,743∙10 -17 Кл.

Для электрона известно , что m э = 0,911∙10 -31 кг. Для определения радиуса электрона, при допущении, что структура электрона подобна структуре протона, а плотность потока эфира в теле электрона также равна плотности потока эфира в теле протона, используем известное соотношение между массами протона и электрона, которое равно

m р /m э = 1836,15.

Тогда r р /r э = (m р /m э) 1/3 = 1836,15 1/3 = 12,245, т. е. r э = r р /12,245.

Подставляя данные для электрона в выражение (3) получим

q э = 0,6142∙10 4 [м 1/2 Ф 1/2 /c] ∙ (0,911∙10 -31 [ кг] 0,8751∙10 -15 [м]/12,245) 1/2 =

0,157∙10 -19 Кл.

Таким образом, электрический заряд электрона q э = 0,157∙10 -19 Кл.

Удельный заряд протона

q р /m р = 0,743∙10 -17 [Кл] /1,672∙10 -27 [кг] = 0,444∙10 10 Кл /кг.

Удельный заряд электрона

q э /m э = 0,157∙10 -19 [Кл] /0,911∙10 -31 [кг] = 0,172∙10 12 Кл /кг.

Полученные значения электрических зарядов протона и электрона являются оценочными и не имеют фундаментального статуса. Это обусловлено тем, что геометрические и физические параметры протона и электрона в протон-электронной паре взаимозависимы и определяются местом расположения протон-электронной пары в атоме вещества и регулируются законом сохранения момента количества вращения. При изменении радиуса орбиты движения электрона меняются соответственно масса протона и электрона и, соответственно, скорости вращения вокруг собственной оси вращения. Так как электрический заряд пропорционален массе, то изменение массы протона или электрона, соответственно, приведет к изменению их электрических зарядов.

Таким образом, во всех атомах вещества, электрические заряды протонов и электронов отличаются друг от друга и имеют свое конкретное значение, однако в первом приближении их значения можно оценивать как значения электрического заряда протона и электрона атома водорода, определенного выше. Кроме того, данное обстоятельство указывает на то, что электрический заряд атома вещества является его уникальной характеристикой, которая может быть использована для его идентификации.

Зная величины электрических зарядов протона и электрона для атома водорода можно оценить электромагнитные силы, обеспечивающие устойчивость атома водорода.

В соответствии с модифицированным законом Кулона электрическая сила притяжения Fпр будет равна

Fпр = k (q 1 — q 2) 2 / r 2 , при q 1 ≠ q 2 ,

где q 1 – электрический заряд протона, q 2 – электрический заряд электрона, r – радиус атома.

Fпр = (1/4πε 0)(q 1 — q 2) 2 / r 2 = (1/4π 8,85418781762039·10 −12 Ф·м −1) ·

• (0,743∙10 -17 Кл — 0,157∙10 -19 Кл) 2 /(5,2917720859·10 −11 ) 2 = 0,1763·10 -3 Н.

В атоме водорода на электрон действует электрическая (кулоновская) сила притяжения равная 0,1763·10 -3 Н. Так как атом водорода находится в устойчивом состоянии, то магнитная сила отталкивания также равна 0,1763·10 -3 Н. Для сравнения вся научная и учебно-методическая литература приводят расчет силы электрического взаимодействия, например , который дает результат 0,923 ·10 -7 Н. Приведенный в литературе расчет некорректен, так как основан на ошибках, рассмотренных выше.

Современная физика утверждает, что минимальная энергия, необходимая для вырывания электрона из атома, называется энергией ионизации или энергией связи, которая для атома водорода равна 13,6 эВ . Оценим энергию связи протона и электрона в атоме водорода на основе полученных значений электрического заряда протона и электрона.

Е св. = F пр ·r н = 0,1763·10 -3 · 6,24151·10 18 эВ /м · 5,2917720859·10 −11 = 58271эВ .

Энергия связи протона и электрона в атоме водорода равна 58,271 КэВ .

Полученный результат указывает на некорректность понятия энергии ионизации и ошибочность второго постулата Бора : “излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излучённого фотона равна разности энергий стационарных состояний”. В процессе возбуждения протон-электронной пары под воздействием внешних факторов, электрон смещается (удаляется) от протона на некоторую величину, максимальное значение которой определяется энергией ионизации. После генерации фотонов протон-электронной парой электрон возвращается на прежнюю орбиту.

Оценим величину максимального смещения электрона при возбуждении атома водорода некоторым внешним фактором энергией 13,6 эВ.

Радиус атома водорода станет равным 5,29523·10 −11 , т. е. увеличится ориентировочно на 0,065%.

Электрический заряд фотона. Согласно эфиродинамической концепции фотон это : элементарная частица, представляющая собой замкнутый тороидальный вихрь уплотненного эфира с кольцевым движением тора (как колеса) и винтовым движением внутри него, осуществляющая поступательно-циклоидальное движение (по винтовой траектории), обусловленное гироскопическими моментами собственного вращения и вращения по круговой траектории и предназначенная для переноса энергии.

Исходя из структуры фотона, как тороидального вихревого тела, движущегося по винтовой траектории, где r γ λ внешний радиус, m γ λ – масса, ω γ λ — собственная частота вращения, электрический заряд фотона может быть представлен следующим образом.

Для упрощения расчетов примем длину потока эфира в теле фотона r =2π r γ λ ,

u = ω γ λ r γ λ , r 0 λ = 0.2 r γ λ — радиус сечения тела фотона.

q γ λ = (1/k) 1/2 ω γ λ r γ λ 2πr γ λ (m λ /V · V/2πr γ λ) 1/2 = (1/k) 1/2 ω γ λ r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 =

= (4πε 0) 1/2 ω γ λ r γ λ (m λ 2πr γ λ) 1/2 = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 ,

q γ λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ ) 1/2 . (4)

Выражение (4) представляет собственный электрический заряд фотона без учета движения по круговой траектории. Параметры ε 0 , m λ , r γ λ это квазипостоянные, т.е. переменные, значения которых меняются незначительно (доли %) во всей области существования фотона (от инфракрасного до гамма). Это значит, что собственный электрический заряд фотона это функция от частоты вращения вокруг собственной оси. Как показано в работе отношение частот гамма фотона ω γ λ Г к фотону инфракрасного диапазона ω γ λ И составляет порядка ω γ λ Г /ω γ λ И ≈ 1000, соответственно изменяется и величина собственного электрического заряда фотона. В современных условиях эта величина не может быть измерена, поэтому имеет только теоретическое значение.

Согласно определению фотона, он имеет сложное винтовое движение, которое можно разложить на движение по круговой траектории и прямолинейное. Для оценки полной величины электрического заряда фотона необходимо учитывать движение по круговой траектории. В этом случае собственный электрический заряд фотона оказывается распределенным по этой круговой траектории. Учитывая периодичность движения, у которого шаг винтовой траектории трактуется как длина волны фотона, можно говорить о зависимости величины полного электрического заряда фотона от его длины волны.

Из физической сущности электрического заряда следует пропорциональность величины электрического заряда его массе, следовательно и его объему. Таким образом собственный электрический заряд фотона пропорционален собственному объему тела фотона (V γ λ). Аналогично, полный электрический заряд фотона с учетом движения по круговой траектории будет пропорционален объему (V λ), который сформирует фотон, движущийся по круговой траектории.

q λ = q γ λ V λ /V γ λ = q γ λ 2π 2 R λ r 2 γ λ /2π 2 Lr 3 γ λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ ,

q λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ . (5)

где L = r 0γλ /r γλ — параметр структуры фотона, равный отношению радиуса сечения к внешнему радиусу тела фотона (≈ 0,2), V Т = 2π 2 R r 2 – объем тора , R - радиус окружности вращения образующей окружности тора; r - радиус образующей окружности тора.

q λ = q γ λ R λ / L 2 r γ λ = 2π(2ε 0) 1/2 ω γ λ (m λ r 3 γ λ) 1/2 R λ / L 2 r γ λ ,

q λ = 2 π (2 ε 0 ) 1/2 ω γ λ (m λ r γ λ ) 1/2 R λ / L 2 . (6)

Выражение (6) представляет полный электрический заряд фотона. Ввиду зависимости полного электрического заряда от геометрических параметров фотона, значения которых в настоящее время известны с большой погрешностью, получить точное значение величины электрического заряда расчетным путем не представляется возможным. Однако его оценка позволяет сделать ряд существенных теоретических и практических выводов.

Для данных из работы , т.е. при λ = 225 нм, ω γ λ ≈ 6,6641·10 30 об/с,

m λ ≈ 10 -40 кг, r γ λ ≈ 10 -20 м, R λ ≈ 0,179·10 -16 м, L ≈ 0,2, получим величину полного электрического заряда фотона:

q λ = 0, 786137 ·10 -19 Кл.

Полученное значение полного электрического заряда фотона длиной волны 225 нм хорошо согласуется с величиной измеренной Р. Милликеном (1,592·10 -19 Кл) , позднее ставшей фундаментальной постоянной, с учетом того, что его значение соответствует электрическому заряду двух фотонов. Удвоенное значение рассчитанного электрического заряда фотона:

2q λ = 1,57227·10 -19 Кл,

в Международной системе единиц (СИ) элементарный электрический заряд равен 1,602 176 6208(98)·10 −19 Кл . Удвоенное значение элементарного электрического заряда обусловлено тем, что протон-электронная пара, в силу своей симметрии, всегда генерирует два фотона. Это обстоятельство экспериментально подтверждается существованием такого процесса как аннигиляция электрон – позитронной пары, т.е. в процессе взаимоуничтожения электрона и позитрона успевают сгенерироваться два фотона, а также существованием таких известных приборов, как фотоэлектронные умножители и лазеры.

Выводы. Итак, в данной работе показано, что электрический заряд является фундаментальным свойством природы, играющим важную роль в понимании сущности элементарных частиц, атомов и других структур микромира.

Эфиродинамическая сущность электрического заряда позволяет дать обоснование интерпретации структур, свойств и параметров элементарных частиц, отличающихся от известных современной физике.

На основе эфиродинамической модели атома водорода и физической сущности электрического заряда даны расчетные оценки электрических зарядов протона, электрона и фотона.

Данные для протона и электрона, в виду отсутствия экспериментального подтверждения на данный момент, носят теоретический характер, однако с учетом погрешности могут быть использованы как в теории, так и на практике.

Данные для фотона хорошо согласуются с результатами известных экспериментов по измерению величины электрического заряда и обосновывают ошибочное представление элементарного электрического заряда.

Литература:

1. Лямин В. С., Лямин Д. В. Физическая сущность электрического заряда.
2. Кастерин Н. П. Обобщение основных уравнений аэродинамики и электродинамики
   (Аэродинамическая часть) . Проблемы физической гидродинамики / Сборник статей под ред. академика АН БССР А.В. Лыкова. – Минск: Институт тепло- и массообмена АН БССР, 1971, с. 268 – 308.
3. Ацюковский В.А. Общая эфиродинамика. Моделирование структур вещества и полей на основе представлений о газоподобном эфире. Издание второе. М.: Энергоатомиздат, 2003. 584 с.
4. Емельянов В. М. Стандартная модель и её расширения. - М.: Физматлит, 2007. - 584 с.
5. Клоуз Ф. Введение в кварки и партоны. - М.: Мир , 1982. - 438 с.
6. Ахиезер А И, Рекало М П «Электрический заряд элементарных частиц» УФН 114 487–508 (1974).
.
7. Физическаяэнциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов

Протоны принимают участие в термоядерных реакциях , которые являются основным источником энергии, генерируемой звёздами . В частности, реакции pp -цикла , который является источником почти всей энергии, излучаемой Солнцем , сводятся к соединению четырёх протонов в ядро гелия-4 с превращением двух протонов в нейтроны.

В физике протон обозначается p (или p + ). Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) - H + , астрофизическое - HII.

Открытие

Свойства протона

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 89(17) , с точностью до 0,002 % равно значению 6π 5 = 1836,118…

Внутренняя структура протона впервые была экспериментально исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий (2 ГэВ ) с протонами (Нобелевская премия по физике 1961 г.) . Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом см, с высокой плотностью массы и заряда, несущей ≈ 35 % {\displaystyle \approx 35\,\%} электрического заряда протона и окружающей его относительно разреженной оболочки. На расстоянии от ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 0{,}25\cdot 10^{-13}} до ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 1{,}4\cdot 10^{-13}} см эта оболочка состоит в основном из виртуальных ρ - и π -мезонов, несущих ≈ 50 % {\displaystyle \approx 50\,\%} электрического заряда протона, затем до расстояния ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 2{,}5\cdot 10^{-13}} см простирается оболочка из виртуальных ω - и π -мезонов, несущих ~15 % электрического заряда протона .

Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 10 35 Па (10 30 атмосфер), то есть выше давления внутри нейтронных звёзд .

Магнитный момент протона измеряется путём измерения отношения резонансной частоты прецессии магнитного момента протона в заданном однородном магнитном поле и циклотронной частоты обращения протона по круговой орбите в том же самом поле .

С протоном связаны три физических величины, имеющих размерность длины:

Измерения радиуса протона с помощью атомов обычного водорода, проводимые разными методами с 1960-х годов, привели (CODATA -2014) к результату 0,8751 ± 0,0061 фемтометра (1 фм = 10 −15 м ) . Первые эксперименты с атомами мюонного водорода (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,84184 ± 0,00067 фм . Причины такого различия пока неясны.

Стабильность

Свободный протон стабилен, экспериментальные исследования не выявили никаких признаков его распада (нижнее ограничение на время жизни - 2,9⋅10 29 лет независимо от канала распада , 1,6⋅10 34 лет для распада в позитрон и нейтральный пион , 7,7⋅10 33 лет для распада в положительный мюон и нейтральный пион ). Поскольку протон является наиболее лёгким из барионов , стабильность протона является следствием закона сохранения барионного числа - протон не может распасться в какие-либо более лёгкие частицы (например, в позитрон и нейтрино) без нарушения этого закона. Однако многие теоретические расширения Стандартной модели предсказывают процессы (пока не наблюдавшиеся), следствием которых было бы несохранение барионного числа и, следовательно, распад протона.

Протон, связанный в атомном ядре, способен захватывать электрон с электронной K-, L- или M-оболочки атома (т. н. «электронный захват »). Протон атомного ядра, поглотив электрон, превращается в нейтрон и одновременно испускает нейтрино : p+e − → +ν e . «Дырка» в K-, L- или M-слое, образовавшаяся при электронном захвате, заполняется электроном одного из вышележащих электронных слоев атома с излучением характеристических рентгеновских лучей, соответствующих атомному номеру Z − 1 , и/или Оже-электронов . Известно свыше 1000 изотопов от 7
4 до 262
105 , распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше 2m e c 2 ≈ 1,022 МэВ ) открывается конкурирующий канал распада - позитронный распад p → +e + +ν e . Следует подчеркнуть, что эти процессы возможны только для протона в некоторых ядрах, где недостающая энергия восполняется переходом образовавшегося нейтрона на более низкую ядерную оболочку; для свободного протона они запрещены законом сохранения энергии.

Источником протонов в химии являются минеральные (азотная , серная , фосфорная и другие) и органические (муравьиная , уксусная , щавелевая и другие) кислоты. В водном растворе кислоты способны к диссоциации с отщеплением протона, образующего катион гидроксония .

В газовой фазе протоны получают ионизацией - отрывом электрона от атома водорода . Потенциал ионизации невозбуждённого атома водорода составляет 13,595 эВ . При ионизации молекулярного водорода быстрыми электронами при атмосферном давлении и комнатной температуре первоначально образуется молекулярный ион водорода (H 2 +) - физическая система, состоящая из двух протонов, удерживающихся вместе на расстоянии 1,06 одним электроном. Стабильность такой системы, по Полингу , вызвана резонансом электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной 7·10 14 с −1 . При повышении температуры до нескольких тысяч градусов состав продуктов ионизации водорода изменяется в пользу протонов - H + .

Применение

Пучки ускоренных протонов используются в экспериментальной физике элементарных частиц (изучение процессов рассеяния и получение пучков других частиц), в медицине (протонная терапия онкологических заболеваний) .

См. также

Примечания

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants --- Complete Listing
2. CODATA Value: proton mass
3. CODATA Value: proton mass in u
4. Ahmed S. et al. Constraints on Nucleon Decay via Invisible Modes from the Sudbury Neutrino Observatory (англ.) // Physical Review Letters : journal. - 2004. - Vol. 92 , no. 10 . - P. 102004 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.92.102004 . - Bibcode : 2004PhRvL..92j2004A . - arXiv :hep-ex/0310030 . - PMID 15089201 .
5. CODATA Value: proton mass energy equivalent in MeV
6. CODATA Value: proton-electron mass ratio
7. , с. 67.
8. Хофштадтер P. Структура ядер и нуклонов // УФН . - 1963. - Т. 81, № 1. - С. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Щёлкин К. И. Виртуальные процессы и строение нуклона // Физика микромира - М.: Атомиздат, 1965. - С. 75.
10. Жданов Г. Б. Упругие рассеяния, периферические взаимодействия и резононы // Частицы высоких энергий. Высокие энергии в космосе и лаборатории - М.: Наука, 1965. - С. 132.
11. Burkert V. D. , Elouadrhiri L. , Girod F. X.

В этой статье вы найдете информацию о протоне, как элементарной частице, стоящей в основе мироздания наряду с другими её элементами, используемой в химии и физике. Будут определены свойства протона, его характеристика в химии и стабильность.

Что такое протон

Протон - это один из представителей элементарных частичек, который относят к барионам, э.ч. в которых фермионы сильно взаимодействуют, а сама частица состоит из 3-х кварков. Протон является стабильной частицей и имеет личный импульсный момент - спин ½. Физическое обозначение протона - p (или p +)

Протон - элементарная частица, принимающая участие в процессах термоядерного типа. Именно этот вид реакций по существу - главный источник энергии, генерируемый звездами во всей вселенной. Практически весь объем энергии, выделяемый Солнцем, существует только за счет объединения 4-х протонов в одно гелиевое ядро с образованием одного нейтрона из двух протонов.

Свойства присущие протону

Протон - это один из представителей барионов. Это факт. Заряд и масса протона - постоянные величины. Электрически протон заряжен +1, а его масса определена в различных единицах измерения и составляет в МэВ 938,272 0813(58), в килограммах протона вес заключен в цифрах 1,672 621 898(21)·10 −27 кг, в единицах атомных масс вес протона равен 1,007 276 466 879(91) а. е. м., а в соотношении с массой электрона, протон весит 1836,152 673 89(17) в соотношении с электроном.

Протон, определение которого уже давалось выше, с точки зрения физики, - это элементарная частичка, имеющая проекцию изоспина +½, а ядерная физика воспринимает эту частицу с противоположным знаком. Сам протон является нуклоном, а состоит из 3-х кварков (двух кварков u и одного кварка d).

Экспериментально исследовал структуру протона ядерщик-физик из Соединенных Штатов Америки - Роберт Хофштадтер. Для достижения этой цели физик сталкивал протоны с электронами высоких энергий, а за описание был удостоен Нобелевской премии в области физики.

В состав протона входит керн (тяжелая сердцевина), который заключает в себе около тридцати пяти процентов энергии электрического заряда протона и имеет довольно большую плотность. Оболочка, окружающая керн, относительно разряжена. Состоит оболочка в основном из виртуальных мезонов типа и p и несет в себе около пятидесяти процентов электрического потенциала протона и находится на расстоянии, равном приблизительно от 0.25*10 13 до 1,4*10 13 . Еще дальше, на расстоянии около 2,5*10 13 сантиметров оболочка состоит из и w виртуальных мезонов и содержит в себе приблизительно оставшиеся пятнадцать процентов электрического заряда протона.

Устойчивость и стабильность протона

В свободном состоянии протон не проявляет никаких признаков распада, что свидетельствует о его стабильности. Стабильное состояние протона, как легчайшего представителя барионов, обусловлено законом сохранения числа барионов. Не нарушая закон СБЧ, протоны способны распадаться на нейтрино, позитрон и другие, более легкие элементарные частицы.

Протон ядра атомов имеет возможность захватывать некоторые виды электронов, имеющие K, L, M атомные оболочки. Протон, совершив электронный захват, переходит в нейтрон и в результате выделяет нейтрино, а образовавшаяся в результате электронного захвата «дыра» заполняется за счет электронов свыше лежащих атомных слоев.

В системах неинерциального отсчета протоны должны приобретать ограниченное время жизни, которое возможно рассчитать, это обусловлено эффектом (излучение) Унру, который в квантовой теории поля предсказывает возможное созерцание теплового излучения в системе отсчета, которая ускоряется при условии отсутствия данного вида излучения. Таким образом, протон при наличии конечного времени своего существования может подвергаться бета-распаду в позитрон, нейтрон или нейтрино, несмотря на то, что сам процесс такого распада запрещен ЗСЭ.

Использование протонов в химии

Протон - это H атом, построенный из единого протона и не имеющий электрона, так что в химическом понимании, протон - это одно ядро атома H. Нейтрон на пару с протоном создают ядро атома. В ПТХЭ Дмитрия Ивановича Менделеева номер элемента указывает число протонов в атоме конкретного элемента, а определяется номер элемента атомным зарядом.

Катионы водорода представляют собой очень сильные электронные акцепторы. В химии протоны получают в основном из кислот органической и минеральной природы. Ионизация является способом получения протонов в газовых фазах.

До начала 20 века ученые считали атом мельчайшей неделимой частицей вещества, но это оказалось не так. На самом деле, в центра атома располагается его ядро с заряженными положительно протонами и нейтральными нейтронами, вокруг ядра по орбиталям вращаются отрицательно заряженные электроны (данная модель атома была в 1911 году предложена Э. Резерфордом). Примечательно, что массы протонов и нейтронов практически равны, а вот масса электрона примерно в 2000 раз меньше.

Хоть атом содержит как положительно заряженные частицы, так и отрицательно, его заряд нейтрален, т.к., в атоме одинаковое количество протонов и электронов, а рзнозаряженные частицы нейтрализуют друг друга.

Позже ученые выяснили, что электроны и протоны обладают одинаковой величиной заряда, равной 1,6·10 -19 Кл (Кл - кулон, единица электрического заряда в системе СИ.

Никогда не задумывались над вопросом - какое кол-во электронов соответствует заряду в 1 Кл?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 электронов

Электрическая сила

Электрические заряды воздействуют друг на друга, что проявляется в виде электрической силы .

Если какое-то тело имеет избыток электронов, оно будет обладать суммарным отрицательным электрическим зарядом, и наоборот - при дефиците электронов, тело будет иметь суммарный положительный заряд.

По аналогии с магнитными силами, когда одноименно заряженные полюса отталкиваются, а разноименно - притягиваются, электрические заряды ведут себя аналогичным образом. Однако, в физике недостаточно говорить просто о полюсности электрического заряда, важно его числовое значение.

Чтобы узнать величину силы, действующей между заряженными телами, необходимо знать не только величину зарядов, но и расстояние между ними. Ранее уже рассматривалась сила всемирного тяготения : F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1 , m 2 - массы тел;
• R - расстояние между центрами тел;
• G = 6,67·10 -11 Нм 2 /кг - универсальная гравитационная постоянная.

В результате проведенных лабораторных опытов, физики вывели аналогичную формулу для силы взаимодейтсвия электрических зарядов, которая получила название закон Кулона :

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1 , q 2 - взаимодействующие заряды, измеренные в Кл;
• r - расстояние между зарядами;
• k - коэффициент пропорциональности (СИ : k=8,99·10 9 Нм 2 Кл 2 ; СГСЭ : k=1).

• k=1/(4πε 0).
• ε 0 ≈8,85·10 -12 Кл 2 Н -1 м -2 - электрическая постоянная.

Согласно закону Кулона, если два заряда имеют одинаковый знак, то действующая между ними сила F положительна (заряды отталкиваются друг от друга); если заряды имеют противоположные знаки, действующая сила отрицательна (заряды притягиваются друг к другу).

О том, насколько огромным по силе является заряд в 1 Кл можно судить, используя закон Кулона. Например, если предположить, что два заряда, каждый в 1Кл разнести на расстояние друг от друга в 10 метров, то они будут друг от друга отталкиваться с силой:

F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99·10 9)·1·1/(10 2) = -8,99·10 7 Н

Это достаточно большая сила, примерно сопостовимая с массой в 5600 тонн.

Давайте теперь при помощи закона Кулона узнаем, с какой линейной скоростью вращается электрон в атоме водорода, считая, что он движется по круговой орбите.

Электростатическую силу, действующую на электрон, по закону Кулона можно приравнять к центростремительной силе:

F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r

Учитывая тот факт, что масса электрона равна 9,1·10 -31 кг, а радиус его орбиты = 5,29·10 -11 м, получаем значение 8,22·10 -8 Н.

Теперь можно найти линейную скорость электрона:

8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 м/с

Таким образом, электрон атома водорода вращается вокруг его центра со скоростью, равной примерно 7,88 млн. км/ч.