proton

Proton (p + )
klasifikace
Fermion Hadron Baryon Nucleon
vlastnosti
elektrický náboj	+1  e
Rozměry	1,007 276 466 583 (15) (29)  u 1,672 621 923 69 (51) · 10 −27  kg 1836,152 673 43 (11)  m e
Klidová energie	938 272 088 16 (29)  MeV
Comptonova vlnová délka	1,321 409 855 39 (40) 10 -15  m
magnetický moment	1,410 606 797 36 (60) 10 −26  J  /  T 2,792 847 344 63 (82)  μ N
g faktor	5,585 694 6893 (16)
gyromagnetický poměr	221 2,675 8744 (11) * 10 8  s -1 · t -1
spin parity	1 / 2 +
Isospin	1 / 2   ( I z = + 1 / 2 )
průměrná životnost	stabilní
Interakce	silná slabá elektromagnetická gravitace
Složení kvarku	1 dolů, 2 nahoru

Protonové [ proːtɔn ] ( množné protony [ protoːnən ]; ze staré řečtiny τὸ πρῶτον protonovou ‚první‘), je stabilní, elektricky kladně nabité hadronový . Jeho symbolem je . Spolu s neutronem a elektronem je proton jedním ze stavebních kamenů atomů, které tvoří veškerou každodenní hmotu . ${\ displaystyle \ mathbf {p}}$

Atomové jádro obyčejného vodíku je jeden proton, takže proton je také známý jako jádra vodíku nebo vodíku, iont . Tato jména jsou však nejednoznačná, protože existují izotopy vodíku, které také obsahují v jádru jeden nebo dva neutrony .

konstrukce

Proton se skládá ze dvou kvarků nahoru a jednoho kvarku dolů (vzorec uud). Tyto tři valenční kvarky jsou obklopeny „jezera“ z gluons a kvark-antikvark párů. Pouze asi 1 procento hmotnosti protonu pochází z hmot valenčních kvarků. Zbytek pochází z kinetické energie mezi kvarky a gluony a také z mořských kvarků; gluons, jako síla výměnných částic, zprostředkovat na velkou sílu mezi kvarky. Průměr volného protonu je přibližně 1,7 x 10 ^-15  metrů. Stejně jako neutron, proton je baryonové .

vlastnosti

Proton je jediný stabilní hadron a nejlehčí baryon . Protože rozpad může vést pouze k lehčím částicím, musí být proton stabilní kvůli zachování baryonového čísla podle standardního modelu . Experimenty na Kamiokande naznačují poločas rozpadu nejméně 10 ³² let. Hledání rozpadu protonů je pro fyziku obzvláště důležité, protože by nabídlo příležitost testovat teorie nad rámec standardního modelu.

Magnetický moment lze určit zjednodušeným modelem na úrovni kvarku tvořícího tvaroh, který se má vypočítat. Zde je jaderný magneton ; jsou momenty vztahující se k hmotnosti příslušného kvarku s g-faktorem 2. Výsledek zhruba odpovídá naměřeným hodnotám. ${\ Displaystyle {\ vec {\ mu _ {\ rm {p}}}} = {\ tfrac {4} {3}} {\ vec {\ mu _ {\ rm {u}}}} - {\ tfrac {1} {3}} {\ vec {\ mu _ {\ rm {d}}}} = + 2 {,} 79 \, {\ vec {\ mu _ {\ mathrm {N}}}}}$${\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {N}}}$${\ Displaystyle \ mu _ {\ rm {u}}, \ mu _ {\ rm {d}}}$

Protony mohou vznikat beta rozpadem neutronů:

${\ Displaystyle \ mathrm {n} \ rightarrow \ mathrm {p} + \ mathrm {e} ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e} +0 {,} 78 \, \ mathrm {MeV }}$

Opačný proces nastává např. B. o vzniku neutronové hvězdy a je to teoreticky možné i za normálních podmínek, ale statisticky extrémně vzácné, protože tři částice s přesně sladěnými energiemi by se musely srazit současně. Proton vázaný ve velmi protonově bohatém atomovém jádru se však může rozpadem beta-plus nebo elektronovým záchytem změnit na neutron.

Antihmota částic ( antičástice ) protonu je antiproton , který byl nejprve uměle vytvořen v roce 1955 Emilio Segre a Owen Chamberlain , který získal za objevitele 1959 Nobelova cena ve fyzice . Má stejnou hmotnost jako proton, ale má záporný elektrický náboj.

Protony jako složky atomových jader

Atomové jádro téměř všech nuklidů se skládá z protonů a neutronů , z nukleonů ; jedinou výjimkou je nejběžnější atom vodíku ¹ H, jehož atomové jádro se skládá pouze z jediného protonu (viz také Proton (chemie) ). Počet protonů v atomovém jádru se nazývá atomové číslo , určuje počet elektronů v atomovém obalu a tím i chemické vlastnosti prvku . Atomy se stejným počtem protonů, ale s různým počtem neutronů, se nazývají izotopy a mají téměř identické chemické vlastnosti.

Protony v atomovém jádru přispívají k celkové atomové hmotnosti. Silná interakce mezi protony a neutrony je zodpovědný za údržbu a stabilitu atomového jádra. Zatímco kladně nabité protony mezi sebou zažívají jak atraktivní (silná interakce), tak odpudivé síly ( elektromagnetická interakce ), mezi neutrony a mezi neutrony a protony neexistuje žádná elektrostatická síla.

Diproton , fiktivní izotop helia ² on, jádro, které by obsahovalo jen dvou protonů, není „částice stabilní“, protože, vzhledem k principu Pauli - na rozdíl od protonu a neutronu v deuteronu - dva protony mohou jen být v singlu - stav s protiparalelními otočeními. Vzhledem k silné spinové závislosti interakce nukleon-nukleon je energeticky zvýšena, a proto není vázána. Stabilní ³ He se získá pouze s dalším neutronem v jádře .

Prostřednictvím jaderného fotoefektu mohou být protony uvolňovány z jádra fotony s vysokou energií , stejně jako v jiných jaderných reakcích srážkami s rychlými protony, neutrony nebo alfa částicemi . V případě jader se zvláště vysokým nebo zvláště nízkým počtem neutronů může dojít ke spontánní emisi nukleonů, tj. K emisi protonů nebo neutronů. Mluví se zde o protonovém nebo neutronovém záření. Poločasy jsou zde vždy velmi krátké. V případě extrémního nadbytku protonů (jako je izotop železa ⁴⁵ Fe) může dojít k rozpadu dvou protonů, při kterém jsou emitovány dokonce dva protony současně (viz hlavní článek o radioaktivitě ).

Rozptylové procesy z nebo na protony

Provádějí se rozptylové experimenty s protony na jiných nukleonech, aby se prozkoumaly vlastnosti interakcí nukleon-nukleon. Při rozptylu neutronů je dominantní silou silná interakce; elektromagnetická a zejména slabá interakce jsou zde zanedbatelné. Pokud jsou protony rozptýleny na protonech, je třeba vzít v úvahu i Coulombovu sílu . Základní síly také závisí na rotaci. Výsledkem srovnání rozptylu pp s rozptylem nn je, že jaderné síly jsou nezávislé na stavu náboje nukleonů (podíl Coulombovy síly v průřezu rozptylu pp se odečte v pořadí porovnat pouze účinek jaderných sil).

Faktor tvaru protonu lze určit pružným nebo kvazielastickým rozptylem elektronů na protonech . Rozptýlením polarizovaného elektronového paprsku 1,16 GeV na protony byl jejich slabý náboj přesně změřen. Skutečnost, že není zachována parita, platí pouze pro slabé vzájemné efekty .

Další reakce protonu v astrofyzice

Proton-protonové reakce jsou jednou ze dvou fúzních reakcí při spalování vodíku .

V případě připojení protonu v p-procesu rychlý proton překoná odpuzování Coulombovou silou a stane se součástí atomového jádra, které je zasaženo.

Aktuální oblasti výzkumu

Zkoumají se mimo jiné vlastnosti protonu. v systémech, jako je Super Proton Synchrotron (SPS) a Large Hadron Collider (LHC) v CERN , Tevatron ve Fermilabu nebo HERA . Výzkum srážek proton-antiproton slouží mimo jiné k hledání fyziky nad rámec standardního modelu.

Měření Beránkova posunu na muonickém vodíku , tj. Na vázaném systému mionu a protonu, vedlo v roce 2010 k tomu, že poloměr náboje protonu byl o 4% nižší než dříve předpokládaná hodnota. byla stanovena z testů rozptylu na elektronových urychlovačích. Protože je mion mnohem těžší než elektron, přichází mnohem blíže k protonu. V případě muonických atomů je díky tomu přesněji měřitelný vliv protonové expanze na spektrum. Rozdíl v poloměru protonu byl v rozmezí čtyř standardních odchylek. To v té době vzbudilo velkou pozornost, protože to vyvolává otázky ohledně kvantové elektrodynamiky , která je ve skutečnosti považována za nejlépe prozkoumanou fyzikální teorii, která například předpovídá energetické hladiny v atomu vodíku s přesností na 12 desetinných míst. Byly také diskutovány odchylky od standardního modelu , ale jeden ze zúčastněných fyziků ( Randolf Pohl ) považuje odchylku Rydbergovy konstanty od dříve přijatých hodnot za pravděpodobnější. V roce 2016 byla odchylka potvrzena také u atomů muonového deuteria. V roce 2017 byla při měření na běžném vodíku objevena také odchylka od standardních dat vodíku (ve výši 3,3 standardních odchylek jak pro poloměr protonu, tak pro Rydbergovu konstantu ). K tomu bylo třeba změřit dva přechody (kromě 2s-1s přechod 2s-4p). Experiment představuje jedno z dosud nejpřesnějších měření v laserové spektroskopii.

V pozemských záblescích gama záření se kromě jiných hmotnostních částic mohou vyskytovat i protony s energiemi až 30 MeV. Časový rámec, na kterém lze měřit pozemské protonové paprsky, je však výrazně delší než u pozemských záblesků gama.

Technické aplikace

Zrychlené protony se v medicíně používají jako součást protonové terapie k léčbě nádorové tkáně. Ve srovnání s konvenčním ozařováním rentgenovým zářením se jedná o šetrnější terapii, protože protony v podstatě uvolňují svoji energii pouze v úzce omezeném hloubkovém rozsahu ve tkáni ( Braggův vrchol ). Tkáň, která je na cestě, je výrazně méně namáhána (faktor 3 až 4), tkáň za ní je relativně méně namáhaná ve srovnání s rentgenovou radioterapií .

Používají se protony s kinetickými energiemi v rozmezí od 10 do 50 MeV z cyklotronů , pro. B. také pro výrobu radionuklidů bohatých na protony pro lékařské účely nebo pro povrchovou aktivaci částí strojů za účelem pozdějšího měření opotřebení.

Historie výzkumu

William Prout měl v roce 1815 podezření, že všechny atomy jsou tvořeny atomy vodíku.

Protony se poprvé objevily ve výzkumu v roce 1898, kdy Wilhelm Wien zjistil, že Geisslerova trubice musí být naplněna vodíkem, aby se získaly paprsky kanálu s největším poměrem náboje k hmotnosti. Toto záření se skládá z protonů.

V roce 1913 vyvinul Niels Bohr model pojmenovaný po něm pro atom vodíku, ve kterém elektron obíhá kolem kladně nabitého atomového jádra. Toto jádro je proton.

V roce 1919 Ernest Rutherford zjistil , že v atomovém jádru dusíku jsou atomová jádra vodíku. Poté předpokládal, že všechna atomová jádra jsou tvořena jádry vodíku a navrhl pro ně název proton . Odkazoval na slovo protyle , které popisuje hypotetickou základní látku veškeré hmoty .

Že protony mají spin 1/2 ukázal v roce 1927 David Dennison na základě formy teplotní závislosti specifického tepla vodíku. To se liší při nízkých teplotách, v závislosti na tom, zda dva protony zarovnávají svá otočení paralelně nebo antiparalelně, protože určité úrovně rotace molekuly pak nenastávají kvůli symetrii výměny. Bylo zjištěno, že v normálním plynném vodíku měly 3/4 molekul paralelní polohu ( ortohydrogen ) a 1/4 antiparalelní polohu ( parahydrogen ). Tento kvantitativní poměr odpovídá pouze protonovému spin 1/2.

prameny

• Wolfgang Demtröder: Experimentální fyzika (díl 4). 2. vydání. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-21451-8 .
• Donald H. Perkins: Úvod do fyziky vysokých energií. 4. vydání. Cambridge University Press, 2000, ISBN 0-521-62196-8 .

Individuální důkazy

1. ↑ Informace o vlastnostech částic (informační pole) jsou převzaty z: Doporučené hodnoty CODATA , není -li uvedeno jinak . Národní institut pro standardy a technologie, přístup 21. července 2019 .  . Čísla v závorkách označují nejistotu v posledních číslicích hodnoty; tato nejistota je dána odhadovanou standardní odchylkou zadané číselné hodnoty od skutečné hodnoty.
2. ↑ Proton lehčí, než se očekávalo. Citováno 27. července 2017 .  Protonová hmota v u .
3. ↑ Doporučené hodnoty CODATA. Národní institut pro standardy a technologie, přístup 21. července 2019 .  Hmotnost protonu v kg
4. ↑ Doporučené hodnoty CODATA. Národní institut pro standardy a technologie, přístup 21. července 2019 .  Hmotnost protonu v násobcích hmotnosti elektronu
5. ↑ Doporučené hodnoty CODATA. Národní institut pro standardy a technologie, přístup 21. července 2019 .  Hmotnost protonu v MeV / c ²
6. ↑ Doporučené hodnoty CODATA. Národní institut pro standardy a technologie, přístup 21. července 2019 .  Comptonova vlnová délka protonu
7. ↑ Doporučené hodnoty CODATA. Národní institut pro standardy a technologie, přístup 21. července 2019 .  Magnetický moment protonu
8. ↑ Doporučené hodnoty CODATA. Národní institut pro standardy a technologie, přístup 21. července 2019 .  g-faktor protonu
9. ↑ Doporučené hodnoty CODATA. Národní institut pro standardy a technologie, přístup 21. července 2019 .  Gyromagnetický poměr protonu
10. ^ Wilhelm Gemoll : řecko-německá škola a ruční slovník. Mnichov / Vídeň 1965.
11. ↑ S. Dürr a kol.: Ab initio stanovení lehkých hadronových hmot. Science 322 (2008), s. 1224-1227
12. ^ Jefferson Lab Q-slabá spolupráce: Přesné měření slabého náboje protonu. Nature sv. 557 (2018), strany 207-211, doi: 10,1038 / s41586-018-0096-0
13. ↑ Hledat fyziku mimo standardní model v kolizích proton-antiproton s leptony a tryskami v konečném stavu; Thomas Nunnemann; Webový odkaz na přednášku ve formátu PDF
14. ↑ Randolf Pohl a kol.: Velikost protonu . In: Příroda . páska 466 , č. 7303 , 2010, s. 213-216 , doi : 10,1038 / nature09250 . 
15. ↑ Natalie Wolchover, New Measurement Deepen's Proton Puzzle, Quanta Magazine, 11. srpna 2016
16. ↑ Shrunken Proton , Pro Physik, 6. října 2017
17. ↑ A. Beyer a kol.: Rydbergova konstanta a velikost protonu z atomového vodíku, Science, svazek 358, 2017, s. 79
18. ↑ Köhn, C., Ebert, U.: Výpočet paprsků pozitronů, neutronů a protonů spojených s pozemskými záblesky gama záření. J. Geophys. Res. Atmos. (2015), roč. 23, doi : 10.1002 / 2014JD022229
19. ↑ Köhn, C., Diniz, G., Harakeh, MN: Výrobní mechanismy leptonů, fotonů a hadronů a jejich možná zpětná vazba v blízkosti bleskových vůdců. J. Geophys. Res. Atmos. (2017), roč. 122, doi : 10.1002 / 2016JD025445
20. ↑ Rutherford v poznámce pod čarou k článku „Ústava atomů“. od Orme Massona v The Philosophical Magazine, Vol 41 (1921), str. 281-285. : „... Nakonec se název„ proton “setkal s obecným souhlasem, zejména proto, že naznačuje původní výraz„ protyle “, který dal Prout ve své známé hypotéze, že všechny atomy jsou tvořeny vodíkem. Potřeba zvláštního názvu na jadernou jednotku hmotnosti 1 upozornil sir Oliver Lodge na schůzi Sekce a pisatel poté navrhl název „proton“.
21. ^ Wilhelm Wien: O pozitivních elektronech a existenci vysokých atomových hmotností. In: Annals of Physics. Svazek 318 (4), 1904, s. 669-677.

webové odkazy

Wikislovník: Proton  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

• Datový list Protonu z: Kontrola vlastností částic (2020) skupinou dat částic