Proton

Proton
Modelul Quark al protonului
Clasificare	Particulă compusă ( hadron )
Compoziţie	2 quark sus , 1 quark jos (uud)
Familie	Fermiuni
grup	Barioni
Interacțiuni	Gravitațional , electromagnetic , slab , puternic
Simbol	p
Antiparticulă	Antiproton ( p )
Teorizat	William Prout (1815)
Descoperire	Ernest Rutherford (1919)
Proprietăți fizice
Masa	1.67262192369 (51) × 10 ⁻²⁷ kg ^[1] 938.27208816 (29) MeV / c² ^[2] 1.007276466621 (53) u ^[3]
Incarcare electrica	1 și 1,602176634 × 10 ⁻¹⁹ C ^[4]
Raza sarcinii	(0,833 ± 0,010) × 10 ⁻¹⁵ m ^[5]
A învârti	½

Protonul este o particulă subatomică compusă cu o sarcină electrică pozitivă, formată din doi quark sus și un quark descendent uniți de interacțiunea puternică și numit „valență” deoarece determină aproape toate caracteristicile fizice.

Constituie nucleul atomic împreună cu neutronul , cu care se transformă continuu prin emisia și absorbția pionilor . Deoarece este format din quarcuri, aparține familiei de hadroni , în special grupului de barioni , și având un spin semi-întreg este un fermion . Pe lângă faptul că este legat, întotdeauna de interacțiunea puternică, în nucleul atomic, acesta poate fi liber, o stare în care este printre cele mai stabile particule existente, cu un timp mediu de decădere spontană presupus egal sau mai mare decât epoca universului .

Descoperit de Ernest Rutherford în 1919, ^[6] denumirea de „proton” a fost introdusă în 1920 de Rutherford însuși și derivă din vechiul grec pròton (πρῶτον), care înseamnă „primul”, cu adăugarea sufixului -one ^[7] . Experimentele anterioare, inclusiv cele efectuate de fizicienii Eugen Goldstein și Wilhelm Wien , au dezvăluit deja existența particulelor încărcate pozitiv în razele canalului .

Caracteristici generale

Comparație între masele de electroni, protoni și neutroni.

Valoarea sarcinii electrice a protonului este aceeași cu cea a electronului , dar cu semn opus ( 1,602 × 10 ⁻¹⁹ C ). În nuclee, forța respingătoare dintre protoni este echilibrată de prezența neutronilor și de forța nucleară puternică care atrage nucleonii unul față de celălalt. Masa de repaus a protonului este de aproximativ 1,6726231 × 10 ⁻²⁷ kg ( 9,3828 × 10 ² MeV / c² ), ușor mai mic decât cel al neutronului și de aproximativ 1836 ori mai mare decât cel al electronului.

Momentul magnetic al protonului în unități ale magnetonului nuclear este egal cu +2,793 μ _N: a fost posibil să se explice valoarea anormală a momentului magnetic al protonului numai grație constituenților modelului quark introdus în șaizeci de ani .

De asemenea, este definită o rază clasică de protoni:

r_{p}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {e^{2}}{m_{p}c^{2}}}

{\ displaystyle r_ {p} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} {\ frac {e ^ {2}} {m_ {p} c ^ {2}}}}

r_ {p} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} {\ frac {e ^ {2}} {m_ {p} c ^ {2}}}

egal cu 1.529 × 10 ⁻¹⁸ m , care însă nu are o semnificație fizică bine definită. De fapt, experimental, sarcina sa electrică este distribuită într-o sferă cu o rază medie egală cu 0,833 ± 0,010 fm (8,33 × 10 ⁻¹⁶ ± 1,0 × 10 ⁻¹⁷ m ) ^[8] ^[9] . Raza protonului este de aproximativ 60.000 de ori mai mică decât cea a atomului de heliu liber, care este de aproximativ 50 de picometri . Pentru a vă face o idee despre mărimea sa, se poate considera că diametrul unui fir de păr uman este de aproximativ zece mii de miliarde de cel al unui proton, sau că punctul unui i ar putea conține aproximativ 500 de miliarde de euro, deși, în medie, la o distanță foarte mare . ^[10]

Proprietăți chimice

Același subiect în detaliu: Hydron și Hydronium .

Nucleul celui mai comun izotop al hidrogenului , unchiul mare , este alcătuit exclusiv dintr-un proton. Nucleii celorlalți atomi sunt compuși din neutroni și protoni ținuți împreună de forța puternică , care contracarează efectiv repulsia Coulomb datorită interacțiunii electromagnetice dintre sarcinile cu același semn. Numărul de protoni din nucleu, numit numărul atomic , determină, împreună cu numărul de electroni, proprietățile chimice ale atomului și însăși natura elementului.

În chimie și biochimie , termenul este folosit aproape întotdeauna în mod necorespunzător pentru a se referi la ionul hidrogen în soluție apoasă ( ion hidrogen ), în timp ce în realitate protonul liber din soluția apoasă nu există și există în schimb cationul compus covalent hidroxoniu sau pur și simplu oxoniu H ₃ O ⁺ . În acest context, conform teoriei acid-bazice Brønsted-Lowry , un donator de protoni este un acid și un acceptor de protoni o bază .

Proprietăți cuantice

Protonul, spre deosebire de alte particule precum electronul , nu este o particulă fundamentală, ci este alcătuit din quarkuri și gluoni , legate prin mecanismul numit confinarea culorii . Închiderea este un fenomen rezultat din interacțiunea puternică , a cărei natură este totuși obscură și evazivă. De exemplu, este interesant de remarcat faptul că partea foarte mare, aproximativ 99%, a masei protonului, precum și a neutronului, este determinată de energia aceleiași interacțiuni puternice care ține împreună quarkurile , mai degrabă decât prin propria lor masă. ^[11] Intensitatea forței nucleare puternice scade odată cu creșterea energiei particulelor care interacționează, astfel încât quarcii și gluonii se manifestă ca particule unice numai în coliziuni la energii sau temperaturi ridicate, la care protoni, ca în general ceilalți hadroni , fuzionează pentru a forma plasma de quarks și gluoni .

Structura internă a protonilor este studiată în acceleratoarele de particule prin coliziuni elastice și inelastice de mare energie între protoni și nucleoni și între protoni și leptoni , cum ar fi electronii. Din acest tip de experimente, începând de la SLAC , a fost posibil să se descopere pentru prima dată existența particulelor în interiorul protonului. ^[12] Pe baza acestor experimente, Feynman a formulat modelul parton , primul care a luat în considerare structura compusă a protonului. ^[13] În anii următori, partonii au fost identificați cu quark și gluoni, ale căror interacțiuni sunt descrise prin cromodinamica cuantică . Din punct de vedere teoretic, funcțiile de distribuție ale quarcurilor și ale gluonilor codifică structura compusă a protonului.

Funcția de undă a quarcilor de valență

Protonul este format din trei quarks numiți valență , care sunt capabili să explice numerele sale cuantice, cum ar fi rotirea și sarcina electrică, dar care nu captează toate interacțiunile și dinamica din interiorul protonului. De exemplu, știind că protonul este alcătuit din două quarcuri de valență în sus și unul în jos și știind că quarcul în sus are sarcină electrică $+2/3$ ${\ displaystyle +2/3}$ $+2/3$ , în timp ce cel de jos $-1/3$ ${\ displaystyle -1/3}$ $-1/3$ , este posibil să se calculeze că sarcina electrică a protonului este egală cu $2/3+2/3-1/3=+1$ ${\ displaystyle 2/3 + 2 / 3-1 / 3 = + 1}$ ${\ displaystyle 2/3 + 2 / 3-1 / 3 = + 1}$ .

Funcția de undă a protonului trebuie să fie total antisimetrică în ceea ce privește schimbul de doi quarks de valență, deoarece protonul este un fermion. Antisimetria în cazul barionilor este dată de componentele de culoare, în timp ce funcția de undă pentru componentele de aromă și spin este simetrică și egală cu

|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 ]

{\ 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]}

{\ 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]}

,

unde la fiecare quark up $tu$ ${\ displaystyle u}$ $tu$ sau jos $d$ ${\ displaystyle d}$ $d$ se acordă o rotire $\uparrow$ ${\ displaystyle \ uparrow}$ $\ Săgeata în sus$ sau jos $\downarrow$ ${\ displaystyle \ downarrow}$ $\ sageata in jos$ . ^[14]

Decăderea protonului

Același subiect în detaliu: decăderea protonului .

Conform experimentelor actuale în fizica particulelor, protonul este o particulă „stabilă”, ceea ce înseamnă că nu se descompune în alte particule și, prin urmare, în limitele experimentale, viața sa este eternă. ^[15] Acest fapt este rezumat prin conservarea numărului de barioni în procesele dintre particulele elementare . De fapt, cel mai ușor barion este tocmai protonul și, dacă numărul barionului urmează să fie conservat, acesta nu se poate descompune în nicio altă particulă mai ușoară.

Cu toate acestea, rămâne deschisă posibilitatea ca, în perioade mult mai lungi decât cele observate până acum, protonul să se descompună în alte particule. De fapt, mai multe modele teoretice de mare unificare (GUT) propun procese de non-conservare a numărului barionic, inclusiv decăderea protonului. Studiind acest eventual fenomen ar fi posibil să se investigheze o regiune energetică inaccesibilă în prezent (aprox 1 × 10 ¹⁵ GeV ) și descoperiți existența sau nu a unei singure forțe fundamentale. Din acest motiv, în lume sunt active mai multe experimente care au ca scop măsurarea duratei medii de viață a protonului. Cu toate acestea, dacă există un astfel de eveniment, este extrem de dificil de observat, deoarece necesită aparate foarte mari și complexe pentru a colecta un număr suficient de mare de protoni și au o probabilitate deloc neglijabilă de a detecta o decădere. În prezent, există doar limite experimentale pentru diferitele canale de decădere, toate mult mai mari decât vârsta universului.

De exemplu, unul dintre cele mai studiate canale de degradare este următorul:

p → e ⁺ + π ⁰

cu o limită inferioară pentru viața medie parțială egală cu 1,6 × 10 ³³ ani. ^[16]

Notă

^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mp
^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpc2mev
^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpu
^ https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e
^ N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, AC Vutha, EA Hessels, O măsurare a deplasării mielului de hidrogen atomic și a razei de încărcare a protonului , în Știința , vol. 365, n. 6457, 6 septembrie 2019, pp. 1007-1012, DOI : 10.1126 / science.aau7807 .
^ Ernest Rutherford, Nuclear constitution of atoms , în Proceedings of the Royal Society of London, A , vol. 97, 1920, pp. 374-400.
^ Sufixul a fost folosit, așa cum a fost pentru electron și așa cum ar fi fost pentru mulți alți termeni științifici, în sensul latin original, fără sensul augmentativ modern. Modificări inovatoare și conservatoare în morfologia evaluativă a italianului. Originea, dezvoltarea și difuzarea sufixului augmentativ –one ( PDF ), pe grandionline.net . Adus la 28 martie 2015 (arhivat din original la 2 aprilie 2015) .
^ N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, AC Vutha, EA Hessels, O măsurare a deplasării mielului de hidrogen atomic și a razei de încărcare a protonului , în Știința , vol. 365, n. 6457, 6 septembrie 2019, pp. 1007-1012, DOI : 10.1126 / science.aau7807 .
^ Am măsurat raza de masă a protonului , pe media.inaf.it , 14 mai 2021.
^ Bill Bryson, A Brief History of (Almost) Everything , Guanda, 2006.
^ (EN) André Walker-Loud, Punct de vedere: disecarea masei protonului , în fizică, vol. 11, 19 noiembrie 2018, p. 118.
^ (EN) Max Klein, Import profund de împrăștiere inelastică profundă pe cerncourier.com, 2 noiembrie 1999. Accesat la 26 aprilie 2020.
^ RP Feynman, Comportamentul coliziilor de hadroni la energii extreme , coliziuni cu energie ridicată: a treia conferință internațională la Stony Brook, NY , Gordon & Breach , 1969, pp. 237–249, ISBN 978-0-677-13950-0 .
^ Echivalența dintre numele celor două quarcuri ușoare și numele celor două stări de spin are motive istorice și se găsește în simetria izospinului . A se vedea de exemplu (EN) Quark Model (PDF), pe pdg.lbl.gov.
^ (EN) proton (PDG) (PDF), pe pdg.lbl.gov. Adus la 8 octombrie 2014 .
^ H. Nishino și colab. ( Colaborare Super-K ), Căutați descompunerea protonului prin p → e ⁺ + π ⁰ și p → μ ⁺ + π ⁰ într-un detector Cherenkov de apă mare , în Physical Review Letters , vol. 102, nr. 14, 2012, p. 141801, Bibcode : 2009PhRvL.102n1801N , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.141801 .

Bibliografie

Albert Messiah, Mécanique quantique, volumul 1 , Dunod, 1966.
Paul Dirac , Principiile mecanicii cuantice , Bollati Boringhieri , 1971.
( EN ) John von Neumann ,Bazele matematice ale mecanicii cuantice , Princeton University Press, 1955.
(EN) Stephen Gustafson, Israel M. Sigal, Conceptele matematice ale mecanicii cuantice, Springer, 2006.
(EN) Franz Schwabl, Mecanica cuantică, Springer , 2002.
( EN ) Franco Strocchi, O introducere în structura matematică a mecanicii cuantice, un curs scurt pentru matematicieni , World Scientific Publishing, 2005.
( EN ) L. Pauling și EB Wilson, Introducere în mecanica cuantică cu aplicații la chimie , New York, McGrawHill, 1935.
( EN ) S. Dushman, The Elements of Quantum Mechanics , New York, John Wiley & Sons , 1938.
( EN ) M. Planck , L. Silberstein și HT Clarke, Originea și dezvoltarea teoriei cuantice , Oxford, Clarendon Press , 1922.
( EN ) F. Reiche, H. Hatfield și L. Henry, The quantum theory , New York, EP Dutton & co., 1922.
( EN ) JF Frenkel, Wave Mechanics: Advanced General Theory , Oxford, Clarendon Press, 1934.
( EN ) NF Mott , Elements of Wave Mechanics , Cambridge University Press , 1958.
Gian Carlo Ghirardi , O privire la cărțile lui Dumnezeu , Net , 1997.

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « proton »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre proton

linkuri externe

protone , pe Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .
( EN ) Proton , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
( RO ) IUPAC Gold Book, „proton” , pe goldbook.iupac.org .

Controlul autorității	Tesauro BNCF 11805 · LCCN (EN) sh85107796 · GND (DE) 4137643-2 · BNF (FR) cb11951081z (dată) · NDL (EN, JA) 00.574.364

Portalul chimiei

Portalul de fizică

[1] ttps://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mp

[2] ttps://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpc2mev

[3] ttps://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpu

[4] ttps://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e

[5] N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, AC Vutha, EA Hessels, O măsurare a deplasării mielului de hidrogen atomic și a razei de încărcare a protonului , în Știința , vol. 365, n. 6457, 6 septembrie 2019, pp. 1007-1012, DOI : 10.1126 / science.aau7807 .

[6] Ernest Rutherford, Nuclear constitution of atoms , în Proceedings of the Royal Society of London, A , vol. 97, 1920, pp. 374-400.

[7] Sufixul a fost folosit, așa cum a fost pentru electron și așa cum ar fi fost pentru mulți alți termeni științifici, în sensul latin original, fără sensul augmentativ modern. Modificări inovatoare și conservatoare în morfologia evaluativă a italianului. Originea, dezvoltarea și difuzarea sufixului augmentativ –one ( PDF ), pe grandionline.net . Adus la 28 martie 2015 (arhivat din original la 2 aprilie 2015) .

[8] N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. Marsman, AC Vutha, EA Hessels, O măsurare a deplasării mielului de hidrogen atomic și a razei de încărcare a protonului , în Știința , vol. 365, n. 6457, 6 septembrie 2019, pp. 1007-1012, DOI : 10.1126 / science.aau7807 .

[9] Am măsurat raza de masă a protonului , pe media.inaf.it , 14 mai 2021.

[10] Bill Bryson, A Brief History of (Almost) Everything , Guanda, 2006.

[11] (EN) André Walker-Loud, Punct de vedere: disecarea masei protonului , în fizică, vol. 11, 19 noiembrie 2018, p. 118.

[12] (EN) Max Klein, Import profund de împrăștiere inelastică profundă pe cerncourier.com, 2 noiembrie 1999. Accesat la 26 aprilie 2020.

[feynman-13] RP Feynman, Comportamentul coliziilor de hadroni la energii extreme , coliziuni cu energie ridicată: a treia conferință internațională la Stony Brook, NY , Gordon & Breach , 1969, pp. 237–249, ISBN 978-0-677-13950-0 .

[14] Echivalența dintre numele celor două quarcuri ușoare și numele celor două stări de spin are motive istorice și se găsește în simetria izospinului . A se vedea de exemplu (EN) Quark Model (PDF), pe pdg.lbl.gov.

[protonpdg-15] (EN) proton (PDG) (PDF), pe pdg.lbl.gov. Adus la 8 octombrie 2014 .

[Nishino-16] H. Nishino și colab. ( Colaborare Super-K ), Căutați descompunerea protonului prin p → e ⁺ + π ⁰ și p → μ ⁺ + π ⁰ într-un detector Cherenkov de apă mare , în Physical Review Letters , vol. 102, nr. 14, 2012, p. 141801, Bibcode : 2009PhRvL.102n1801N , DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.141801 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]