Протон

Чтобы узнать о других значениях, см. Протон (значения) .

«P+» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о звукозаписывающей компании, см. Джин Доусон .

Протон

Валентный кварковый состав протона. Цветовое присвоение отдельных кварков произвольно, но должны присутствовать все три цвета. Силы между кварками опосредуются глюонами .
Классификация	Барион
Состав	2 верхних кварка (u), 1 нижний кварк (d)
Статистика	фермионный
Семья	Адронный
Взаимодействия	Гравитационное , электромагнитное , слабое , сильное.
Символ	п , п + , Н + , 1 1 час +
Античастица	Антипротон
Теоретический	Уильям Праут (1815)
Обнаруженный	Наблюдается как H + Ойген Гольдштейн (1886). Идентифицирован в других ядрах (и назван) Эрнестом Резерфордом (1917–1920).
Масса	1.672 621 925 95 (52) × 10 −27  kg кг 1,007 276 466 5789 (83) И 938,272 089 43 (29)   МэВ/ c 2 ‍
Средний срок службы	> 3,6 × 10 29 годы (стабильный)
Электрический заряд	+1 и
Радиус заряда	0,8414(19) фм
Электрический дипольный момент	< 2,1 × 10 −25  e ⋅cm
Электрическая поляризуемость	0,001 12 (4) Фм 3
Магнитный момент	1.410 606 795 45 (60) × 10 −26  J⋅T −1 ‍ 0,001 521 032 202 30 (45)   мк Б 2792 847 344 63 (82   мкН )
Магнитная поляризуемость	1.9(5) × 10 −4 фм 3
Вращаться	⁠ 1 / 2 ⁠  ħ
Изоспин	⁠ 1 / 2 ⁠
Паритет	+1
Сжатый	Я ( Дж. П ) = ⁠ 1 / 2 ⁠ ( ⁠ 1 / 2 ⁠ + )

Протон , — стабильная субатомная частица обозначение
п
, Ч ⁺ , или ¹ ЧАС ⁺ с положительным электрическим зарядом +1 е ( элементарный заряд ). Его масса немного меньше массы нейтрона и в 1836 раз больше массы электрона ( отношение масс протона к электрону ). Протоны и нейтроны, каждый из которых имеет массу примерно в одну атомную единицу массы , вместе называются « нуклонами » (частицами, присутствующими в атомных ядрах).

присутствует один или несколько протонов В ядре каждого атома . Они обеспечивают притягивающую электростатическую центральную силу, которая связывает атомные электроны. Число протонов в ядре является определяющим свойством элемента и называется атомным номером (обозначается символом Z ). Поскольку каждый элемент идентифицируется по количеству протонов в его ядре, каждый элемент имеет свой атомный номер, который определяет количество атомных электронов и, следовательно, химические характеристики элемента.

Слово «протон» означает по-гречески «первый», а это название ядру водорода дал Эрнест Резерфорд в 1920 году. В предыдущие годы Резерфорд обнаружил, что ядро ​​водорода (известное как самое легкое ядро) можно извлечь из ядер. азота в результате столкновений атомов. Таким образом, протоны были кандидатами на роль фундаментальных или элементарных частиц и, следовательно, строительных блоков азота и всех других более тяжелых атомных ядер.

Хотя первоначально протоны считались элементарными частицами, в современной Стандартной модели физики элементарных частиц известно, что протоны являются составными частицами, содержащими три валентных кварка , и вместе с нейтронами теперь классифицируются как адроны . Протоны состоят из двух верхних кварков с зарядом + ⁠ 2/3 нижний — ⁠ e каждый и один кварк заряда ⁠ 1 / 3 ⁠ е . Остальные массы кварков составляют лишь около 1% массы протона. Остальная часть массы протона обусловлена ​​энергией связи квантовой хромодинамики , которая включает в себя кинетическую энергию кварков и энергию глюонных полей, связывающих кварки вместе. Среднеквадратичный протона зарядовый радиус составляет около 0,84–0,87 Фм ( 1 Фм = 10 ⁻¹⁵ м ). В 2019 году два разных исследования с использованием разных методов показали, что этот радиус составляет 0,833 фм с погрешностью ±0,010 фм.

Свободные протоны на Земле встречаются изредка: грозы могут порождать протоны с энергией до нескольких десятков МэВ . При достаточно низких температурах и кинетических энергиях свободные протоны будут связываться с электронами . Однако характер таких связанных протонов не меняется, и они остаются протонами. Быстрый протон, движущийся сквозь вещество, будет замедляться за счет взаимодействия с электронами и ядрами, пока не будет захвачен электронным облаком атома. В результате получается двухатомный или многоатомный ион, содержащий водород. В вакууме, когда присутствуют свободные электроны, достаточно медленный протон может подхватить один свободный электрон, становясь нейтральным атомом водорода , который химически является свободным радикалом . Такие «свободные атомы водорода» имеют тенденцию вступать в химическую реакцию со многими другими типами атомов при достаточно низких энергиях. Когда свободные атомы водорода реагируют друг с другом, они образуют нейтральные молекулы водорода (H ₂ ), которые являются наиболее распространенным молекулярным компонентом молекулярных облаков в межзвездном пространстве .

Свободные протоны обычно используются в ускорителях для протонной терапии или в различных экспериментах по физике элементарных частиц, наиболее мощным примером которых является Большой адронный коллайдер .

Описание

Нерешенная задача по физике :

Как кварки и глюоны переносят спин протонов?

(еще нерешенные задачи по физике)

Протоны спин- ⁠ 1/2 и , ⁠ фермионы состоят из трёх валентных кварков делая их барионами (подтипом адронов ). Два верхних кварка и один нижний кварк протона удерживаются вместе сильной силой , действующей через глюоны . С современной точки зрения протон состоит из валентных кварков (верхний, верхний, нижний), глюонов и переходных пар морских кварков . Протоны имеют положительное распределение заряда, которое затухает примерно экспоненциально, со среднеквадратичным радиусом заряда около 0,8 фм.

Протоны и нейтроны являются нуклонами , которые могут быть связаны друг с другом ядерной силой, образуя атомные ядра . Ядро наиболее распространенного изотопа атома водорода (с химическим символом «H») представляет собой одинокий протон. Ядра тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития содержат один протон, связанный с одним и двумя нейтронами соответственно. Все остальные типы атомных ядер состоят из двух или более протонов и различного количества нейтронов.

История

Представление о водородоподобной частице как о составе других атомов развивалось в течение длительного периода. Еще в 1815 году Уильям Праут предположил, что все атомы состоят из атомов водорода (которые он назвал «протилами»), основываясь на упрощенной интерпретации ранних значений атомных весов (см. гипотезу Праута ), которая была опровергнута, когда были найдены более точные значения. измерено.

Эрнест Резерфорд на первой Сольвеевской конференции , 1911 год.

Протон обнаружен в изопропанола камере Вильсона

В 1886 году Ойген Гольдштейн открыл канальные лучи (также известные как анодные лучи) и показал, что они представляют собой положительно заряженные частицы (ионы), образующиеся из газов. Однако, поскольку частицы из разных газов имели разные значения отношения заряда к массе ( q / m ), их нельзя было отождествить с одной частицей, в отличие от отрицательных электронов, открытых Дж. Дж. Томсоном . Вильгельм Вин в 1898 году определил ион водорода как частицу с самым высоким соотношением заряда к массе в ионизированных газах.

После открытия атомного ядра Эрнестом Резерфордом в 1911 году Антониус ван ден Брук предположил, что место каждого элемента в таблице Менделеева (его атомный номер) равно его ядерному заряду. Это было подтверждено экспериментально Генри Мозли в 1913 году с использованием рентгеновских спектров (более подробную информацию см. в разделе «Атомный номер эксперимента Мозли 1913 года»).

В 1917 году Резерфорд провел эксперименты (о которых сообщалось в 1919 и 1925 годах), которые доказали, что ядро ​​водорода присутствует в других ядрах, и этот результат обычно называют открытием протонов. Эти эксперименты начались после того, как Резерфорд заметил, что когда альфа-частицы ударяют в воздух, Резерфорд может обнаружить сцинтилляцию на экране из сульфида цинка, возникающую на расстоянии, значительно превышающем расстояние пробега альфа-частиц, но вместо этого соответствующее дальности полета атомов водорода ( протоны). После экспериментов Резерфорд проследил реакцию на азот в воздухе и обнаружил, что когда альфа-частицы вводились в чистый газообразный азот, эффект был сильнее. В 1919 году Резерфорд предположил, что альфа-частица просто выбила протон из азота, превратив его в углерод. Наблюдая за изображениями камеры Вильсона, полученными Блэкеттом в 1925 году, Резерфорд понял, что альфа-частица была поглощена. Если бы альфа-частица не была поглощена, она бы отбила протон от азота, создав 3 заряженные частицы (отрицательно заряженный углерод, протон и альфа-частица). Это можно показать что три заряженные частицы создали бы три трека в камере Вильсона, но вместо этого наблюдались только два трека в камере Вильсона. Альфа-частица поглощается атомом азота. После захвата альфа-частицы ядро ​​водорода выбрасывается, в результате чего образуются две заряженные частицы (протон и положительно заряженный кислород), которые оставляют два трека в камере Вильсона. Тяжелый кислород ( ¹⁷ O), а не углерод или фтор, является продуктом. Это была первая зарегистрированная ядерная реакция , ¹⁴ Н + а → ¹⁷ О+п . Резерфорд сначала подумал о нашем современном «р» в этом уравнении как об ионе водорода: ЧАС ⁺ .

В зависимости от точки зрения, либо 1919 год (когда экспериментально было замечено, что он получен из другого источника, чем водород), либо 1920 год (когда он был признан и предложен в качестве элементарной частицы) может рассматриваться как момент, когда протон был «открыт».

Резерфорд знал, что водород — самый простой и легкий элемент, и на него повлияла гипотеза Праута о том, что водород является строительным блоком всех элементов. Открытие того, что ядро ​​водорода присутствует в других ядрах в виде элементарной частицы, привело Резерфорда к созданию ядра водорода. ЧАС ⁺ особое название частицы, поскольку он подозревал, что водород, самый легкий элемент, содержит только одну из этих частиц. Он назвал этот новый фундаментальный строительный блок ядра протоном , в честь среднего единственного числа греческого слова, означающего «первый», πρῶτον . Однако Резерфорд имел в виду и слово протил , употребляемое Праутом. Резерфорд выступал на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в Кардиффе, начавшемся 24 августа 1920 года. На встрече Оливер Лодж попросил его дать новое название положительному ядру водорода, чтобы избежать путаницы с нейтральным атомом водорода. Первоначально он предложил и протон , и проутон (в честь Праута). Позже Резерфорд сообщил, что собрание приняло его предложение назвать ядро ​​водорода «протоном», в соответствии со словом Праута «протил». Первое использование слова «протон» в научной литературе появилось в 1920 году.

возникновение

В ядре каждого атома присутствует один или несколько связанных протонов.Свободные протоны естественным образом встречаются в ряде ситуаций, когда энергия или температура достаточно высоки, чтобы отделить их от электронов, к которым они имеют определенное сродство. Свободные протоны существуют в плазме , температура которой слишком высока, чтобы позволить им объединиться с электронами . Свободные протоны высокой энергии и скорости составляют 90% космических лучей , распространяющихся через межзвездную среду . Свободные протоны испускаются непосредственно из атомных ядер при некоторых редких типах радиоактивного распада . Протоны также возникают (наряду с электронами и антинейтрино ) в результате радиоактивного распада свободных нейтронов , которые нестабильны.

Стабильность

Основная статья: Распад протона

Нерешенная задача по физике :

Являются ли протоны фундаментально стабильными? Или они распадаются с конечным временем жизни, как предсказывают некоторые расширения стандартной модели?

(еще нерешенные задачи по физике)

Спонтанный распад свободных протонов никогда не наблюдался, и поэтому протоны считаются стабильными частицами согласно Стандартной модели. Однако некоторые теории великого объединения (GUT) физики элементарных частиц предсказывают, что распад протона должен происходить с временем жизни от 10 ³¹ и 10 ³⁶ годы. Экспериментальные поиски установили нижние границы среднего времени жизни протона для различных предполагаемых продуктов распада.

Эксперименты на детекторе Супер-Камиоканде в Японии дали более низкие пределы среднего времени жизни протонов - 6,6 × 10. ³³ лет для распада на антимюон и нейтральный пион и 8,2 × 10 ³³ лет для распада на позитрон и нейтральный пион. Другой эксперимент в Нейтринной обсерватории Садбери в Канаде проводил поиск гамма-лучей , возникающих из остаточных ядер, образовавшихся в результате распада протона из кислорода-16. Этот эксперимент был разработан для обнаружения распада до любого продукта и установил нижний предел времени жизни протона 2,1 × 10. ²⁹ годы .

Однако известно, что протоны превращаются в нейтроны в процессе захвата электронов (также называемого обратным бета-распадом ). Для свободных протонов этот процесс не происходит самопроизвольно, а только при подаче энергии. Уравнение:

п ⁺
+
и ⁻
→
н
+
н
_и

Процесс обратим; нейтроны могут превращаться обратно в протоны посредством бета-распада , распространенной формы радиоактивного распада . Фактически, свободный нейтрон таким образом распадается со средним временем жизни около 15 минут. Протон также может превратиться в нейтрон посредством бета-плюс-распада (β+-распад).

Согласно квантовой теории поля , среднее собственное время жизни протонов $\tau _{\mathrm {p} }$ становится конечным, когда они ускоряются с надлежащим ускорением $a$, и $\tau _{\mathrm {p} }$ уменьшается с увеличением $a$. Ускорение порождает неисчезающую вероятность перехода
п ⁺
→
н
+
и ⁺
+
н
_е . В конце 1990-х годов это вызывало обеспокоенность, поскольку $\tau _{\mathrm {p} }$ — скаляр, который может быть измерен инерционными и соускоренными наблюдателями . В инерциальной системе отсчета ускоряющийся протон должен распадаться по приведенной выше формуле. Однако, по мнению соускоренного наблюдателя, протон покоится и, следовательно, не должен распадаться. Эта загадка решается путем осознания того, что в соускоренной системе отсчета существует тепловая ванна из-за эффекта Фуллинга-Дэвиса-Унру , внутреннего эффекта квантовой теории поля. В этой тепловой ванне, испытываемой протоном, находятся электроны и антинейтрино, с которыми протон может взаимодействовать по процессам:

1. 
   п ⁺
   +
   и ⁻
   →
   н
   +
   н
   ,
2. 
   п ⁺
   +
   н
   →
   н
   +
   и ⁺
   и
3. 
   п ⁺
   +
   и ⁻
   +
   н
   →
   н
   .

Сложив вклады каждого из этих процессов, следует получить $\tau _{\mathrm {p} }$.

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 превышает сумму масс покоя его трех валентных кварков , а глюоны имеют нулевую массу покоя. Дополнительная энергия кварков и глюонов в протоне по сравнению с энергией покоя одних кварков в вакууме КХД составляет почти 99% массы протона. Масса покоя протона является, таким образом, инвариантной массой системы движущихся кварков и глюонов, составляющих частицу, и в таких системах даже энергия безмассовых частиц, заключенных в систему, по-прежнему измеряется как часть масса покоя системы.

Для обозначения массы кварков, составляющих протоны, используются два термина: кварка текущая масса относится к массе самого кварка, тогда как составляющего кварка масса относится к текущей массе кварка плюс масса поля глюонных частиц, окружающего протоны. кварк. Эти массы обычно имеют очень разные значения. Кинетическая энергия кварков, являющаяся следствием удержания, является вкладом (см. Масса в специальной теории относительности ). Используя расчеты решеточной КХД , вклад в массу протона составляют конденсат кварков (~ 9%, включая верхние и нижние кварки и море виртуальных странных кварков), кинетическая энергия кварков (~ 32%), кинетическая энергия глюонов. энергия (~37%) и аномальный глюонный вклад (~23%, включая вклады от конденсатов всех ароматов кварков).

Волновая функция протона, составляющая модель кварка, равна $$\mathrm {|p_{\uparrow }\rangle ={\tfrac {1}{\sqrt {18}}}\left(2|u_{\uparrow }d_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle +2|u_{\uparrow }u_{\uparrow }d_{\downarrow }\rangle +2|d_{\downarrow }u_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }u_{\downarrow }d_{\uparrow }\rangle -|u_{\uparrow }d_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }d_{\uparrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\downarrow }u_{\uparrow }\rangle -|d_{\uparrow }u_{\uparrow }u_{\downarrow }\rangle -|u_{\downarrow }u_{\uparrow }d_{\uparrow }\rangle \right)} .$$

Внутренняя динамика протонов сложна, поскольку она определяется обменом глюонов кварков и взаимодействием с различными вакуумными конденсатами. Решётчатая КХД обеспечивает способ вычисления массы протона непосредственно из теории с любой точностью в принципе. Самые последние расчеты утверждают, что масса определяется с точностью более 4% и даже с точностью 1% (см. рисунок S5 в работе Dürr et al. ). Эти утверждения до сих пор вызывают споры, поскольку расчеты пока невозможно провести с такими легкими кварками, какими они являются в реальном мире. Это означает, что прогнозы получаются с помощью процесса экстраполяции , который может вносить систематические ошибки. Трудно сказать, контролируются ли эти ошибки должным образом, поскольку величины, которые сравниваются с экспериментом, — это массы адронов , которые известны заранее.

Эти недавние расчеты выполняются массивными суперкомпьютерами, и, как отметили Боффи и Пасквини: «детальное описание структуры нуклона все еще отсутствует, потому что... поведение на больших расстояниях требует непертурбативного и/или численного подхода...» Более концептуальные подходы к структуре протонов: топологический солитонный подход, первоначально предложенный Тони Скирмом , и более точный подход AdS/QCD , который расширяет его, включив в него струнную теорию глюонов, различные модели, вдохновленные КХД, такие как модель мешка и модель составного кварка , которые были популярны в 1980-х годах, а также правила сумм SVZ , которые позволяют проводить грубые приблизительные расчеты массы. Эти методы не обладают такой же точностью, как более грубые методы решеточной КХД, по крайней мере, пока.

Радиус заряда

Основная статья: Загадка о радиусе протона

Рекомендуемое CODATA . протона значение зарядового радиуса составляет 8,4075(64) × 10 ⁻¹⁶ м . ‍ Радиус протона определяется формулой, которую можно рассчитать с помощью квантовой электродинамики и получить либо с помощью атомной спектроскопии, либо с помощью электрон-протонного рассеяния. В формуле используется форм-фактор, связанный с двумерным партонным диаметром протона.

Значение, полученное до 2010 года, основано на рассеянии электронов на протонах с последующим сложным расчетом, включающим сечение рассеяния на основе Розенблюта уравнения для сечения передачи импульса ), а также на исследованиях атомных энергетических уровней водорода и дейтерия.В 2010 году международная исследовательская группа опубликовала результаты измерения зарядового радиуса протона с помощью лэмбовского сдвига в мюонном водороде ( экзотическом атоме, состоящем из протона и отрицательно заряженного мюона ). Поскольку мюон в 200 раз тяжелее электрона, что приводит к меньшей атомной орбитали , он гораздо более чувствителен к зарядовому радиусу протона и, таким образом, позволяет проводить более точные измерения. Последующие улучшенные измерения рассеяния и электронной спектроскопии согласуются с новым малым радиусом. Работа по уточнению и проверке этого нового значения продолжается.

Давление внутри протона

Поскольку протон состоит из кварков, удерживаемых глюонами, можно определить эквивалентное давление , действующее на кварки. Размер этого давления и другие подробности о нем спорны.

Сообщается, что в 2018 году это давление составило порядка 10 ³⁵ Па, что превышает давление внутри нейтронной звезды . Было сказано, что оно максимально в центре, положительное (отталкивающее) на радиальном расстоянии около 0,6 фм, отрицательное (притягивающее) на больших расстояниях и очень слабое за пределами примерно 2 фм. Эти цифры были получены путем сочетания теоретической модели и экспериментальных данных. Комптоновское рассеяние электронов высоких энергий. Однако эти результаты были оспорены, поскольку они также согласуются с нулевым давлением. и как эффективно обеспечить форму профиля давления путем выбора модели.

Зарядовый радиус сольватированного протона гидроксония

Радиус гидратированного протона входит в уравнение Борна для расчета энтальпии гидратации гидроксония .

Взаимодействие свободных протонов с обычным веществом

Хотя протоны имеют сродство к противоположно заряженным электронам, это взаимодействие с относительно низкой энергией, и поэтому свободные протоны должны потерять достаточную скорость (и кинетическую энергию ), чтобы стать тесно связанными с электронами. Протоны высокой энергии, пересекая обычную материю, теряют энергию в результате столкновений с атомными ядрами и ионизации атомов (удаления электронов) до тех пор, пока они не замедлятся настолько, чтобы быть захваченными электронным облаком в обычном атоме.

Однако при такой ассоциации с электроном характер связанного протона не меняется, и он остается протоном. Притяжение свободных протонов низкой энергии к любым электронам, присутствующим в обычном веществе (например, к электронам в нормальных атомах), заставляет свободные протоны останавливаться и образовывать новую химическую связь с атомом. Такая связь происходит 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 нормальной (неплазменной) материи низкоскоростные свободные протоны не остаются свободными, а притягиваются к электронам в любом атоме или молекуле, с которыми они контактируют, вызывая соединение протона и молекулы. О таких молекулах говорят, что они « протонированы », и химически они представляют собой просто соединения водорода, часто положительно заряженные. Часто в результате они становятся так называемыми кислотами Бренстеда . Например, протон, захваченный молекулой воды в воде, становится гидроксием , водный катион H₃H3O ⁺ .

Протон в химии

Атомный номер

В химии число протонов в ядре атома известно как атомный номер , который определяет химический элемент , к 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 числу (положительных) протонов, так что общий заряд равен нулю. Например, нейтральный атом хлора имеет 17 протонов и 17 электронов, тогда как атом Cl ⁻ анион имеет 17 протонов и 18 электронов с общим зарядом -1.

Однако все атомы данного элемента не обязательно идентичны. Число нейтронов может варьироваться, образуя разные изотопы , а энергетические уровни могут различаться, что приводит к появлению разных ядерных изомеров . Например, существует два стабильных изотопа хлора : ³⁵
₁₇ кл
с 35 − 17 = 18 нейтронами и ³⁷
₁₇ кл
с 37 − 17 = 20 нейтронами.

Ион водорода

Смотрите также: Гидрон (химия)

Протий, наиболее распространенный изотоп водорода, состоит из одного протона и одного электрона (нейтронов у него нет). Термин «ион водорода» ( H ⁺
) подразумевает, что атом H потерял свой один электрон, в результате чего остался только протон. Так, в химии термины «протон» и «ион водорода» (для изотопа протия) используются как синонимы.

Протон — уникальная химическая разновидность, представляющая собой голое ядро. Как следствие, он не имеет независимого существования в конденсированном состоянии и неизменно оказывается связанным парой электронов с другим атомом.

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

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). ¹
₁ час
). Протон представляет собой «голый заряд» размером всего около 1/64 000 радиуса атома водорода, поэтому он чрезвычайно химически активен. Таким образом, свободный протон имеет чрезвычайно короткое время жизни в химических системах, таких как жидкости, и он немедленно реагирует с электронным облаком любой доступной молекулы. В водном растворе образует ион гидроксония H ₃ O. ⁺ , который, в свою очередь, дополнительно сольватируется молекулами воды в кластерах типа [H ₅ O ₂ ] ⁺ и [H ₉ O ₄ ] ⁺ .

Трансфер Х. ⁺
в кислотно-основной реакции обычно называют «переносом протона». Кислоту основание называют донором протонов, а – акцептором протонов. Аналогично, биохимические термины, такие как протонный насос и протонный канал, относятся к движению гидратированного H. ⁺
ионы.

Ион, образующийся в результате удаления электрона из атома дейтерия , известен как дейтрон, а не протон. Аналогично, удаление электрона из атома трития приводит к образованию тритона.

Протонный ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Также в химии термин « протонный ЯМР » относится к наблюдению ядер водорода-1 в (в основном органических молекулах ) методом ядерного магнитного резонанса . Этот метод использует квантованный спиновый магнитный момент протона, который обусловлен его угловым моментом (или спином ), который, в свою очередь, имеет величину, равную половине приведенной постоянной Планка . ( $\hbar /2$). Название относится к исследованию протонов в том виде, в котором они встречаются в протии (атомах водорода-1) в соединениях, и не подразумевает, что свободные протоны существуют в изучаемом соединении.

Воздействие на человека

Основная статья: Влияние космического полета на организм человека

См. Также: Протонная терапия.

( Пакет экспериментов на лунной поверхности Аполлона ALSEP) определил, что более 95% частиц солнечного ветра представляют собой электроны и протоны, примерно в равных количествах.

солнечного ветра Поскольку спектрометр проводил непрерывные измерения, стало возможным измерить, как магнитное поле Земли влияет на прилетающие частицы солнечного ветра. Примерно две трети каждой орбиты Луна находится вне магнитного поля Земли. В то 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 никаких частиц солнечного ветра обнаружить не удалось. В течение оставшейся части каждой лунной орбиты Луна находится в переходной области, известной как магнитооболочка , где магнитное поле Земли влияет на солнечный ветер, но не исключает его полностью. В этой области поток частиц уменьшен, типичные скорости протонов составляют от 250 до 450 километров в секунду. В лунную ночь спектрометр был защищен Луной от солнечного ветра, и никаких частиц солнечного ветра измерено не было.

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

Были проведены исследования влияния мощности дозы протонов, которые обычно наблюдаются при космических полетах , на здоровье человека. Если быть более конкретным, есть надежда определить, какие именно хромосомы повреждены, и определить ущерб во время развития рака в результате воздействия протонов. Другое исследование направлено на определение «влияния воздействия протонного облучения на нейрохимические и поведенческие конечные точки, включая дофаминергическое функционирование, индуцированное амфетамином условное отвращение к вкусу, а также пространственное обучение и память, измеренные с помощью водного лабиринта Морриса » . Также предложено изучить электрический заряд космического корабля в результате межпланетной бомбардировки протонами. Существует еще много исследований, касающихся космических путешествий, включая галактические космические лучи и их возможные последствия для здоровья , а также воздействие солнечных протонов .

Американские эксперименты Biostack и советские космические эксперименты Biorack продемонстрировали серьезность молекулярного повреждения микроорганизмов, включая цисты артемии , тяжелыми ионами .

Антипротон

Основная статья: Антипротон

CPT-симметрия накладывает строгие ограничения на относительные свойства частиц и античастиц и, следовательно, открыта для строгих проверок. Например, сумма зарядов протона и антипротона должна быть равна нулю. Это равенство проверено с точностью до одной десятичной . ⁸ . Равенство их масс также было проверено с точностью более одной из 10. ⁸ . Удерживая антипротоны в ловушке Пеннинга , было проверено равенство отношения заряда к массе протонов и антипротонов до одной части в 6 × 10. ⁹ . Магнитный момент антипротонов измерен с погрешностью 8 × 10 ⁻³ ядерные магнетоны Бора , и оказывается равным и противоположным магнитону протона.

См. также

• Фермионное поле
• Водород
• Гидрон (химия)
• Список частиц
• Протон-протонная цепочка
• Кварковая модель
• Протонный спиновой кризис
• Протонная терапия

Дальнейшее чтение

• Болл, Ричард Д.; Кандидо, Алессандро; Круз-Мартинес, Хуан; Форте, Стефано; Джани, Томмазо; Хекхорн, Феликс; Кудашкин Кирилл; Магни, Джакомо; Рохо, Хуан (август 2022 г.). «Доказательства внутреннего очарования кварков в протоне» . Природа . 608 (7923): 483–487. arXiv : 2208.08372 . Бибкод : 2022Natur.608..483N . дои : 10.1038/s41586-022-04998-2 . ISSN   1476-4687 . ПМЦ   9385499 . ПМИД   35978125 .
• Гао, Х.; Вандерхэген, М. (21 января 2022 г.). «Зарядовый радиус протона» . Обзоры современной физики . 94 (1): 015002. arXiv : 2105.00571 . Бибкод : 2022RvMP...94a5002G . дои : 10.1103/RevModPhys.94.015002 . ISSN   0034-6861 .

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с протонами, на Викискладе?
• Группа данных о частицах в LBL
• Большой адронный коллайдер
• Ивз, Лоуренс ; Коупленд, Эд; Падилья, Антонио (Тони) (2010). «Сжимающийся протон» . Шестьдесят символов . Брэди Харан из Ноттингемского университета .
• Проект визуализации протонов MIT:
  • Внутри протона: «Самая сложная вещь, которую только можно себе представить» , журнал Quanta , 19 октября 2022 г.
  • Визуализация протона , Искусство в Массачусетском технологическом институте, 2022 г.