stringtranslate.com

Протон

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

В ядре каждого атома присутствует один или несколько протонов . 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 числом протонов в его ядре, каждый элемент имеет свой собственный атомный номер, который определяет число атомных электронов и, следовательно, химические характеристики элемента.

Слово протон по-гречески означает «первый», и это название было дано ядру водорода Эрнестом Резерфордом в 1920 году. В предыдущие годы Резерфорд обнаружил, что ядро ​​водорода (известное как самое легкое ядро) может быть извлечено из ядер азота путем атомных столкновений. [10] Таким образом, протоны были кандидатами на роль фундаментальной или элементарной частицы , а следовательно, и строительного блока азота и всех других более тяжелых атомных ядер.

Хотя изначально 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 заряда + ⁠2/3⁠ e каждый, и один нижний кварк заряда − ⁠1/3⁠ e . Массы покоя кварков составляют всего около 1% массы протона. [11] Остальная часть массы протона обусловлена ​​энергией связи квантовой хромодинамики , которая включает кинетическую энергию кварков и энергию глюонных полей , которые связывают кварки вместе. Среднеквадратичный радиус заряда протона составляет около 0,84–0,87  фм (1 фм =10 −15  м ). [12] [13] В 2019 году два разных исследования, использующие разные методы, обнаружили, что этот радиус составляет 0,833 фм с погрешностью ±0,010 фм. [14] [15]

Свободные протоны иногда встречаются на Земле: грозы могут производить протоны с энергией до нескольких десятков МэВ . [16] [17] 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 через вещество, будет замедляться за счет взаимодействия с электронами и ядрами, пока не будет захвачен электронным облаком атома. Результатом является двухатомный или многоатомный ион, содержащий водород. В вакууме, когда присутствуют свободные электроны, достаточно медленный протон может захватить один свободный электрон, становясь нейтральным атомом водорода , который химически является свободным радикалом . Такие «свободные атомы водорода» имеют тенденцию химически реагировать 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 . [18]

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

Описание

Нерешенная задача по физике :
Каким образом кварки и глюоны переносят спин протонов?
(еще нерешенные проблемы по физике)

Протоны имеют спин- ⁠1/2⁠ фермионы и состоят из трех валентных кварков, [19] что делает их барионами (подтип адронов ). Два верхних кварка и один нижний кварк протона удерживаются вместе сильным взаимодействием , опосредованным глюонами . [20] : 21–22  Современная точка зрения имеет протон, состоящий из валентных кварков (вверх, вверх, вниз), глюонов и транзитных пар морских кварков . Протоны имеют положительное распределение заряда, которое спадает приблизительно экспоненциально, со среднеквадратичным радиусом заряда около 0,8 фм. [21]

Протоны и нейтроны являются нуклонами , которые могут быть связаны вместе ядерными силами , 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 другие типы атомных ядер состоят из двух или более протонов и различного числа нейтронов.

История

Концепция водородоподобной частицы как составной части других атомов разрабатывалась 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 измерены более точные значения. [22] : 39–42 

Эрнест Резерфорд на первой Сольвеевской конференции , 1911 г.
Протон обнаружен в изопропаноловой камере Вильсона

В 1886 году Ойген Гольдштейн открыл канальные лучи (также известные как анодные лучи) и показал, что они являются положительно заряженными частицами (ионами), полученными из газов. Однако, поскольку частицы из разных газов имели разные значения отношения заряда к массе ( q / m ), их нельзя было идентифицировать с одной частицей, в отличие от отрицательных электронов, открытых Дж. Дж. Томсоном . Вильгельм Вин в 1898 году идентифицировал ион водорода как частицу с самым высоким отношением заряда к массе в ионизированных газах. [23]

После открытия атомного ядра Эрнестом Резерфордом в 1911 году Антониус ван ден Брук предположил, что место каждого элемента в периодической таблице (его атомный номер) равно его ядерному заряду. Это было экспериментально подтверждено Генри Мозли в 1913 году с использованием рентгеновских спектров (подробнее см. Атомный номер в эксперименте 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, результат, который обычно описывают как открытие протонов. [24] Эти эксперименты начались после того, как Резерфорд заметил, что когда альфа-частицы ударяются о воздух, Резерфорд мог обнаружить сцинтилляцию на экране из сульфида цинка , возникающую на расстоянии, значительно превышающем расстояние пробега альфа-частиц, но вместо этого соответствующую пробегу атомов водорода (протонов). [25] После экспериментов Резерфорд проследил реакцию с азотом в воздухе и обнаружил, что когда альфа-частицы были введены в чистый азотный газ, эффект был больше. В 1919 году Резерфорд предположил, что альфа-частица просто выбивает протон из азота, превращая его в углерод. После наблюдения изображений в камере Вильсона Блэкетта в 1925 году Резерфорд понял, что альфа-частица поглощается. Если бы альфа-частица не поглощалась, то она бы выбила протон из азота, создав 3 заряженные частицы (отрицательно заряженный углерод, протон и альфа-частицу). Можно показать [26] , что 3 заряженные частицы создали бы три трека в камере Вильсона, но вместо этого в камере Вильсона наблюдались только 2 трека. Альфа-частица поглощается атомом азота. После захвата альфа-частицы ядро ​​водорода выбрасывается, создавая в конечном итоге 2 заряженных частицы (протон и положительно заряженный кислород), которые создают 2 трека в камере Вильсона. Продуктом является тяжелый кислород ( 17 O), а не углерод или фтор. Это была первая зарегистрированная ядерная реакция , 14 N + α → 17 O + p . Сначала Резерфорд подумал о нашем современном «p» в этом уравнении как об ионе водорода, H + .

В зависимости от точки зрения, моментом «открытия» протона можно считать либо 1919 год (когда экспериментально было установлено, что он получен из другого источника, нежели водород), либо 1920 год (когда он был признан и предложен в качестве элементарной частицы).

Резерфорд знал, что водород является самым простым и легким элементом, и находился под влиянием гипотезы Праута о том, что водород является строительным блоком всех элементов. Открытие того, что ядро ​​водорода присутствует в других ядрах как элементарная частица, привело Резерфорда к тому, чтобы дать ядру водорода H + особое название как частице, 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 рода единственного числа греческого слова, означающего «первый», πρῶτον . Однако Резерфорд также имел в виду слово протил , которое использовал Праут. Резерфорд выступил на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в Кардиффе , которое началось 24 августа 1920 года. [27] На заседании Оливер Лодж попросил его дать новое название положительному ядру водорода, чтобы избежать путаницы с нейтральным атомом водорода. Первоначально он предложил как протон , так и проутон (в честь Праута). [28] Позже Резерфорд сообщил, что на собрании было принято его предложение назвать ядро ​​водорода «протоном», следуя слову Праута «протил». [29] Первое использование слова «протон» в научной литературе появилось в 1920 году. [30] [31]

Происшествие

В ядре каждого атома присутствует один или несколько связанных протонов. Свободные протоны встречаются в природе в ряде ситуаций, когда энергии или температуры достаточно высоки, чтобы отделить их от электронов, к которым они имеют некоторое сродство. Свободные протоны существуют в плазме , где температуры слишком высоки, чтобы позволить им объединиться с электронами . [32] Свободные протоны с высокой энергией и скоростью составляют 90% космических лучей , которые распространяются через межзвездную среду . [33] Свободные протоны испускаются непосредственно из атомных ядер в некоторых редких типах радиоактивного распада . [34] Протоны также возникают (наряду с электронами и антинейтрино ) в результате радиоактивного распада свободных нейтронов , которые нестабильны. [35]

Стабильность

Нерешенная задача по физике :
Являются ли протоны фундаментально стабильными? Или они распадаются с конечным временем жизни, как предсказывают некоторые расширения стандартной модели?
(еще нерешенные проблемы 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 со временем жизни от 10 31 до 10 36 лет. Экспериментальные поиски установили нижние границы среднего времени жизни протона для различных предполагаемых продуктов распада. [36] [37] [38]

Эксперименты на детекторе Супер-Камиоканде в Японии дали более низкие пределы для среднего времени жизни протона6,6 × 10 33  лет для распада на антимюон и нейтральный пион , и8,2 × 10 33  лет для распада на позитрон и нейтральный пион. [39] Другой эксперимент в Нейтринной обсерватории Садбери в Канаде искал гамма-лучи, возникающие из остаточных ядер, образующихся при распаде протона из кислорода-16. Этот эксперимент был разработан для обнаружения распада на любой продукт и установил нижний предел времени жизни протона2,1 × 10 29  лет . [40]

Однако известно, что протоны превращаются в нейтроны посредством процесса электронного захвата (также называемого обратным бета-распадом ). Для свободных протонов этот процесс не происходит спонтанно, а только при подаче энергии. Уравнение выглядит так:


п+
+е−→н+νе

Процесс обратим; нейтроны могут преобразовываться обратно в протоны через бета-распад , распространенную форму радиоактивного распада . Фактически, свободный нейтрон распадается таким образом, со средним временем жизни около 15 минут. Протон также может преобразоваться в нейтрон через бета-плюс-распад (β+-распад).

Согласно квантовой теории поля , среднее собственное время жизни протонов становится конечным, когда они ускоряются с собственным ускорением , и уменьшается с увеличением . Ускорение приводит к неисчезающей вероятности перехода
п+
→
н
+
е+
+
ν
е. Это было предметом беспокойства в конце 1990-х годов, поскольку является скаляром, который может быть измерен инерциальными и соускоренными наблюдателями . В инерциальной системе отсчета ускоряющийся протон должен распадаться в соответствии с приведенной выше формулой. Однако, согласно соускоренному наблюдателю, протон находится в состоянии покоя и, следовательно, не должен распадаться. Эта головоломка 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 в соответствии с процессами:


  1. п+
    +
    е−
    →
    н
    +
    ν
    ,

  2. п+
    +
    ν
    →
    н
    +
    е+
    и

  3. п+
    +
    е−
    +
    ν
    →
    н
    .

Сложив вклады каждого из этих процессов, следует получить . [41] [42] [43] [44]

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 больше суммы масс покоя его трех валентных кварков , в то время как глюоны имеют нулевую массу покоя. Дополнительная энергия кварков и глюонов в протоне по сравнению с энергией покоя только кварков в вакууме КХД составляет почти 99% массы протона. Масса покоя протона, таким образом, является инвариантной массой системы движущихся кварков и глюонов, составляющих частицу, и в таких системах даже энергия безмассовых частиц, ограниченных системой, по-прежнему измеряется как часть массы покоя системы.

Для обозначения массы кварков, из которых состоят протоны, используются два термина: текущая масса кварка относится к массе кварка как таковой, в то время как масса составного кварка относится к текущей массе кварка плюс масса поля глюонных частиц, окружающего кварк. [45] : 285–286  [46] : 150–151  Эти массы обычно имеют очень разные значения. Кинетическая энергия кварков, которая является следствием ограничения, является вкладом (см. Масса в специальной теории относительности ). Используя расчеты решеточной КХД , вклады в массу протона представляют собой конденсат кварков (~9%, включающий верхние и нижние кварки и море виртуальных странных кварков), кинетическая энергия кварков (~32%), кинетическая энергия глюонов (~37%) и аномальный глюонный вклад (~23%, включающий вклады от конденсатов всех ароматов кварков). [47]

Волновая функция модели составного кварка для протона имеет вид

Внутренняя динамика протонов сложна, поскольку она определяется обменом глюонами кварков и взаимодействием с различными вакуумными конденсатами. Решеточная КХД обеспечивает способ вычисления массы протона непосредственно из теории с любой точностью, в принципе. Самые последние расчеты [48] [49] утверждают, что масса определяется с точностью лучше 4%, даже с точностью 1% (см. Рисунок S5 в работе Дюрра и др. [49] ). Эти утверждения все еще спорны, поскольку расчеты пока не могут быть выполнены с кварками, такими легкими, как в реальном мире. Это означает, что предсказания находятся с помощью процесса экстраполяции , который может вносить систематические ошибки. [50] Трудно сказать, контролируются ли эти ошибки должным образом, поскольку величины, которые сравниваются с экспериментом, являются массами адронов , которые известны заранее.

Эти недавние вычисления выполняются массивными суперкомпьютерами, и, как отмечают Боффи и Паскуини: «подробное описание структуры нуклона все еще отсутствует, потому что ... поведение на больших расстояниях требует непертурбативного и/или численного рассмотрения ...» [51] Более концептуальные подходы к структуре протонов: топологический солитонный подход, изначально предложенный Тони Скирмом , и более точный подход AdS/QCD , который расширяет его, включая струнную теорию глюонов, [52] различные модели, вдохновленные КХД, такие как модель мешка и модель составных кварков , которые были популярны в 1980-х годах, и правила сумм SVZ , которые позволяют производить грубые приблизительные расчеты массы. [53] Эти методы не обладают такой же точностью, как методы КХД на основе грубой силы и решетки, по крайней мере, пока.

Радиус заряда

Рекомендуемое CODATA значение радиуса заряда протона составляет8,4075(64) × 10−16  м . [54] Радиус протона определяется формулой, которая может быть рассчитана с помощью квантовой электродинамики и выведена либо из атомной спектроскопии, либо из электронно-протонного рассеяния . Формула включает форм-фактор, связанный с двумерным партонным диаметром протона. [55]

Значение до 2010 года основано на рассеянии электронов протонами с последующим сложным расчетом, включающим сечение рассеяния на основе уравнения Розенблюта для сечения передачи импульса ), и основано на исследованиях атомных энергетических уровней водорода и дейтерия. В 2010 году международная исследовательская группа опубликовала измерение радиуса заряда протона с помощью сдвига Лэмба в мюонном водороде ( экзотический атом , состоящий из протона и отрицательно заряженного мюона ). Поскольку мюон в 200 раз тяжелее электрона, что приводит к меньшей атомной орбитали , он гораздо более чувствителен к радиусу заряда протона и, таким образом, позволяет проводить более точное измерение. [56] Последующие улучшенные измерения рассеяния и электронной спектроскопии согласуются с новым малым радиусом. Работа продолжается по уточнению и проверке этого нового значения. [57]

Давление внутри протона

Поскольку протон состоит из кварков, удерживаемых глюонами, можно определить эквивалентное давление , которое действует на кварки. Величина этого давления и другие детали о нем являются спорными.

В 2018 году сообщалось, что это давление составляет порядка 10 35  Па, что больше, чем давление внутри нейтронной звезды . Было сказано, что оно максимально в центре, положительно (отталкивающее) на радиальном расстоянии около 0,6 фм, отрицательно (притягивающее) на больших расстояниях и очень слабое за пределами около 2 фм. Эти числа были получены путем объединения теоретической модели и экспериментального комптоновского рассеяния высокоэнергетических электронов. [58] [59] [60] Однако эти результаты были оспорены, поскольку они также согласуются с нулевым давлением [61] и эффективно обеспечивают форму профиля давления путем выбора модели. [62]

Радиус заряда в сольватированном протоне, гидроксоний

Радиус гидратированного протона появляется в уравнении Борна для расчета энтальпии гидратации гидроксония .

Взаимодействие свободных протонов с обычным веществом

Хотя протоны имеют сродство к противоположно заряженным электронам, это взаимодействие имеет относительно низкую энергию, и поэтому свободные протоны должны потерять достаточную скорость (и кинетическую энергию ), чтобы стать тесно связанными и связанными с электронами. Протоны с высокой энергией, пересекая обычную материю, теряют энергию из-за столкновений с атомными ядрами и из-за ионизации атомов (удаления электронов), пока они не замедлятся достаточно, 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 с низкой энергией к любым электронам, присутствующим в обычной материи (например, к электронам в обычных атомах), заставляет свободные протоны останавливаться и образовывать новую химическую связь с атомом. Такая связь происходит при любой достаточно «холодной» температуре (то есть сравнимой с температурами на поверхности Солнца) и с любым типом атома. Таким образом, при взаимодействии с любым типом обычной (не плазменной) материи свободные протоны с низкой скоростью не остаются свободными, а притягиваются к электронам в любом атоме или молекуле, с которыми они вступают в контакт, заставляя протон и молекулу объединяться. Такие молекулы тогда называются « протонированными », и химически они являются просто соединениями водорода, часто положительно заряженными. Часто в результате они становятся так называемыми кислотами Бренстеда . Например, протон, захваченный молекулой воды в воде, становится гидроксонием , водным катионом H 3 O + .

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 числом (отрицательно заряженных) электронов , которое для нейтральных атомов равно числу (положительно) протонов, так что общий заряд равен нулю. Например, нейтральный атом хлора имеет 17 протонов и 17 электронов, тогда как анион Cl − имеет 17 протонов и 18 электронов для общего заряда −1.

Однако все атомы данного элемента не обязательно идентичны. Количество нейтронов может варьироваться, образуя различные изотопы , а уровни энергии могут различаться, что приводит к различным ядерным изомерам . Например, существует два стабильных изотопа хлора :35
17Кл
с 35 − 17 = 18 нейтронами и37
17Кл
с 37 − 17 = 20 нейтронами.

Ион водорода

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. Таким образом, в химии термины протон и ион водорода (для изотопа протия) используются как синонимы.

Протон — уникальный химический вид, будучи голым ядром. Вследствие этого он не имеет независимого существования в конденсированном состоянии и неизменно оказывается связанным парой электронов с другим атомом.

Росс Стюарт, Протон: применение в 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
1ЧАС
). Протон представляет собой «голый заряд» с радиусом всего лишь около 1/64000 радиуса атома водорода, и 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 он образует ион гидроксония , H 3 O + , который в свою очередь далее сольватируется молекулами воды в кластерах, таких как [H 5 O 2 ] + и [H 9 O 4 ] + . [63]

Передача H+
в кислотно-щелочной реакции обычно называют «переносом протона». Кислота называется донором протона, а основание — акцептором протона. Аналогично, биохимические термины, такие как протонный насос и протонный канал, относятся к перемещению гидратированного H+
ионы.

Ион, полученный путем удаления электрона из атома дейтерия , называется дейтроном , а не протоном. Аналогично, удаление электрона из атома трития дает тритон .

Протонный ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Также в химии термин протонный ЯМР относится к наблюдению ядер водорода-1 в (в основном органических ) молекулах с помощью ядерного магнитного резонанса . Этот метод использует квантованный спиновый магнитный момент протона, который обусловлен его угловым моментом (или спином ), который в свою очередь имеет величину в половину приведенной постоянной Планка . ( ). Название относится к исследованию протонов, как они встречаются в протии (атомах водорода-1) в соединениях, и не подразумевает, что свободные протоны существуют в изучаемом соединении.

Воздействие на человека

Пакеты экспериментов на поверхности Луны миссии «Аполлон» ( ALSEP) определили, что более 95% частиц солнечного ветра — это электроны и протоны, примерно в равных количествах. [64] [65]

Поскольку спектрометр солнечного ветра производил непрерывные измерения, стало возможным измерить, как магнитное поле Земли влияет на прибывающие частицы солнечного ветра. Примерно две трети каждой орбиты Луна находится за пределами магнитного поля Земли. В это время типичная плотность протонов составляла от 10 до 20 на кубический сантиметр, при этом большинство протонов имели скорость от 400 до 650 километров в секунду. Примерно пять дней каждого месяца Луна находится внутри геомагнитного хвоста Земли, и обычно частицы солнечного ветра не обнаруживались. Оставшуюся часть каждой лунной орбиты Луна находится в переходной области, известной как магнитооболочка , где магнитное поле Земли влияет на солнечный ветер, но не полностью исключает его. В этой области поток частиц уменьшается, с типичными скоростями протонов от 250 до 450 километров в секунду. Во время лунной ночи спектрометр был экранирован от солнечного ветра Луной, и частицы солнечного ветра не измерялись. [64]

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

Были проведены исследования эффектов мощности дозы протонов, которые обычно встречаются во время космических путешествий , на здоровье человека. [65] [66] Если говорить более конкретно, есть надежды определить, какие именно хромосомы повреждены, и определить ущерб во время развития рака от воздействия протонов. [65] Другое исследование рассматривает определение «эффектов воздействия протонного облучения на нейрохимические и поведенческие конечные точки, включая дофаминергическое функционирование, вызванное амфетамином условное отвращение к вкусу, а также пространственное обучение и память, измеренные с помощью водного лабиринта Морриса . [66] Электрическая зарядка космического корабля из-за межпланетной протонной бомбардировки также была предложена для изучения. [67] Существует еще много исследований, которые относятся к космическим путешествиям, включая галактические космические лучи и их возможные последствия для здоровья , а также воздействие солнечных протонов .

Американские эксперименты с использованием Biostack и советского Biorack в области космических полетов продемонстрировали серьезность молекулярных повреждений, вызванных тяжелыми ионами в отношении микроорганизмов , включая цисты артемии . [68]

Антипротон

CPT-симметрия накладывает жесткие ограничения на относительные свойства частиц и античастиц и, следовательно, открыта для строгих проверок. Например, заряды протона и антипротона должны в сумме равняться нулю. Это равенство было проверено с точностью до одной части в10 8. Равенство их масс также было проверено с точностью до одной части.10 8. Удерживая антипротоны в ловушке Пеннинга , было проверено равенство отношения заряда к массе протонов и антипротонов с точностью до одной части.6 × 10 9 . [69] Магнитный момент антипротонов был измерен с погрешностью8 × 10−3 ядерных магнетонов Бора , и оказывается равным и противоположным магнетону протона. [ 70 ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "2022 CODATA Value: proton mass". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
  2. ^ "2022 CODATA Value: proton mass in u". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
  3. ^ "2022 CODATA Value: эквивалент энергии массы протона в МэВ". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
  4. ^ Сотрудничество SNO+; Андерсон, М.; Андринга, С.; Арушанова, Э.; Асахи, С.; Аскинс, М.; Аути, DJ; Бэк, AR; Барнард, З.; Баррос, Н.; Бартлетт, Д. (2019-02-20). "Поиск невидимых le-мод распада нуклонов в воде с помощью детектора SNO+". Physical Review D. 99 ( 3): 032008. arXiv : 1812.05552 . Bibcode : 2019PhRvD..99c2008A. doi : 10.1103/PhysRevD.99.032008. S2CID  96457175.
  5. ^ ""Рекомендуемые значения CODATA 2018"". Архивировано из оригинала 22-01-2018 . Получено 31-05-2019 .
  6. ^ Sahoo, BK (2017-01-17). "Улучшенные пределы на адронные и полуадронные параметры нарушения $CP$ и роль носителя темной силы в электрическом дипольном моменте $^{199}\mathrm{Hg}$". Physical Review D . 95 (1): 013002. arXiv : 1612.09371 . doi :10.1103/PhysRevD.95.013002. S2CID  119344894.
  7. ^ "2022 CODATA Value: proton magnetic moment". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
  8. ^ "Значение CODATA 2022: отношение магнитного момента протона к магнетону Бора". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024 г. Получено 18.05.2024 .
  9. ^ "Значение CODATA 2022: отношение магнитного момента протона к ядерному магнетону". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024 г. Получено 18.05.2024 .
  10. ^ "протон | Определение, масса, заряд и факты". Encyclopedia Britannica . Архивировано из оригинала 2023-08-22 . Получено 2018-10-20 .
  11. ^ Чо, Адриан (2 апреля 2010 г.). «Масса общего кварка наконец-то прибита». Журнал Science . Американская ассоциация содействия развитию науки . Архивировано из оригинала 27 августа 2015 г. Получено 27 сентября 2014 г.
  12. ^ "Загадка размера протона решена!". Институт Пола Ширера. 25 января 2013 г. Архивировано из оригинала 4 октября 2018 г. Получено 6 июля 2014 г.
  13. ^ Antognini, Aldo; et al. (25 января 2013 г.). "Структура протона из измерения частот переходов 2S-2P мюонного водорода" (PDF) . Science . 339 (6118): 417–420. Bibcode :2013Sci...339..417A. doi :10.1126/science.1230016. hdl : 10316/79993 . PMID  23349284. S2CID  346658. Архивировано из оригинала (PDF) 14 марта 2020 г. . Получено 25 августа 2019 г. .
  14. ^ Bezginov, N.; Valdez, T.; Horbatsch, M.; Marsman, A.; Vutha, AC; Hessels, EA (2019-09-06). "Измерение сдвига Лэмба атомарного водорода и радиуса заряда протона". Science . 365 (6457): 1007–1012. Bibcode :2019Sci...365.1007B. doi : 10.1126/science.aau7807 . ISSN  0036-8075. PMID  31488684. S2CID  201845158.
  15. ^ Xiong, W.; Gasparian, A.; Gao, H.; Dutta, D.; Khandaker, M.; Liyanage, N.; Pasyuk, E.; Peng, C.; Bai, X.; Ye, L.; Gnanvo, K. (ноябрь 2019 г.). «Малый радиус заряда протона из эксперимента по рассеянию электронов и протонов». Nature . 575 (7781): 147–150. Bibcode :2019Natur.575..147X. doi :10.1038/s41586-019-1721-2. ISSN  1476-4687. OSTI  1575200. PMID  31695211. S2CID  207831686.
  16. ^ Köhn, C.; Ebert, U. (2015). «Расчет пучков позитронов, нейтронов и протонов, связанных с наземными вспышками гамма-излучения» (PDF) . Journal of Geophysical Research: Atmospheres . 23 (4): 1620–1635. Bibcode :2015JGRD..120.1620K. doi : 10.1002/2014JD022229 . Архивировано (PDF) из оригинала 2019-12-23 . Получено 2019-08-25 .
  17. ^ Köhn, C.; Diniz, G.; Harakeh, Muhsin (2017). «Механизмы производства лептонов, фотонов и адронов и их возможная обратная связь вблизи лидеров молний». Журнал геофизических исследований: Атмосферы . 122 (2): 1365–1383. Bibcode : 2017JGRD..122.1365K. doi : 10.1002/2016JD025445. PMC 5349290. PMID 28357174  . 
  18. ^ Шлеммер, Стефан (2011-02-08). «Образование H2 в ранней Вселенной управляет образованием первых звезд». Angewandte Chemie International Edition . 50 (10): 2214–2215. doi :10.1002/anie.201005920. ISSN  1433-7851. PMID  21305679.
  19. ^ Адэр, Р. К. (1989). Великий замысел: частицы, поля и творение . Oxford University Press . стр. 214. Bibcode : 1988gdpf.book.....A.
  20. ^ Коттингем, WN; Гринвуд, DA (1986). Введение в ядерную физику . Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-65733-4.
  21. ^ Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. (2005). Основы ядерной физики. Springer . стр. 155. ISBN 978-0-387-01672-6. Архивировано из оригинала 2023-12-30 . Получено 2020-11-19 .
  22. ^ Кафедра химии и биохимии UCLA Эрик Р. Шерри Лектор (2006-10-12). Периодическая таблица: ее история и ее значение: ее история и ее значение . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-534567-4.
  23. ^ Вена, Вильгельм (1904). «Über Positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte». Аннален дер Физик . 318 (4): 669–677. Бибкод : 1904АнП...318..669Вт. дои : 10.1002/andp.18943180404. Архивировано из оригинала 13 июля 2020 г. Проверено 13 июля 2020 г.
  24. ^ Петруччи, Р. Х.; Харвуд, В. С.; Херринг, Ф. Г. (2002). Общая химия (8-е изд.). Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Prentice Hall. стр. 41. ISBN 978-0-13-033445-9.
  25. ^ "Как Резерфорд обнаруживает протон и жизнь Резерфорда". ScienceDirect . Архивировано из оригинала 5 декабря 2023 г. Получено 6 декабря 2023 г.
  26. ^ "Камера облаков Блэкетта". Труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического и физического характера . 107 (742): 349–360. 2 февраля 1925 г. doi : 10.1098/rspa.1925.0029 .
  27. ^ См. отчет о встрече, заархивированный 18.03.2017 г. на Wayback Machine , и объявление, заархивированное 19.10.2022 г. на Wayback Machine.
  28. ^ Ромер А. (1997). «Протон или проутон? Резерфорд и глубины атома». Американский журнал физики . 65 (8): 707. Bibcode : 1997AmJPh..65..707R. doi : 10.1119/1.18640.
  29. ↑ Резерфорд сообщил о принятии Британской ассоциацией в сноске к Masson, O. (1921). "XXIV. Строение атомов". Philosophical Magazine . Серия 6. 41 (242): 281–285. doi :10.1080/14786442108636219. Архивировано из оригинала 21.06.2019 . Получено 21.06.2019 .
  30. ^ OED "протон" . Оксфордский словарь английского языка (Электронная правка). Oxford University Press . Получено 24 марта 2021 г. (Требуется подписка или членство в участвующем учреждении.)
  31. ^ Pais, A. (1986). Inward Bound . Oxford University Press . стр. 296. ISBN 0-19-851997-4.Паис считал, что первое использование слова протон в научной литературе встречается в «Физике Британской ассоциации». Nature . 106 (2663): 357–358. 1920. Bibcode :1920Natur.106..357.. doi : 10.1038/106357a0 .
  32. ^ Эбелинг, В.; Рейнхольц, Х.; Репке, Г. (2021). «Уравнение состояния водорода, гелия и солнечной плазмы». Вклад в физику плазмы . doi :10.1002/ctpp.202100085.
  33. ^ "Что такое космические лучи?". Goddard Space Flight Center. NASA. Архивировано из оригинала 28 октября 2012 года . Получено 31 октября 2012 года ."зеркальная копия, также архивирована". Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года.
  34. ^ Poenaru, Dorin N.; Rebel, Heinigerd; Wentz, Jürgen, ред. (2001). Ядра, далекие от стабильности и астрофизики. Дордрехт: Springer Netherlands. стр. 79–81. doi :10.1007/978-94-010-0708-5. ISBN 978-0-7923-6937-0.
  35. ^ Сотрудничество UCNτ; Гонсалес, FM; Фрайс, EM; Кьюд-Вудс, C.; Бейли, T.; Блатник, M.; Бруссард, LJ; Каллахан, NB; Чой, JH; Клейтон, SM; Карри, SA (2021-10-13). "Улучшенное измерение времени жизни нейтрона с помощью UCNτ". Physical Review Letters . 127 (16): 162501. arXiv : 2106.10375 . Bibcode : 2021PhRvL.127p2501G. doi : 10.1103/PhysRevLett.127.162501. PMID  34723594. S2CID  235490073. Архивировано из оригинала 2024-04-01 . Получено 2024-04-01 .
  36. ^ Buccella, F.; Miele, G.; Rosa, L.; Santorelli, P.; Tuzi, T. (1989). «Верхний предел времени жизни протона в SO(10)». Physics Letters B. 233 ( 1–2): 178–182. Bibcode : 1989PhLB..233..178B. doi : 10.1016/0370-2693(89)90637-0.
  37. ^ Ли, Д. Г.; Мохапатра, Р.; Парида, М.; Рани, М. (1995). «Предсказания для времени жизни протона в минимальных несуперсимметричных моделях SO(10): обновление». Physical Review D. 51 ( 1): 229–235. arXiv : hep-ph/9404238 . Bibcode : 1995PhRvD..51..229L. doi : 10.1103/PhysRevD.51.229. PMID  10018289. S2CID  119341478.
  38. ^ "Время жизни протона больше 1034 лет". Обсерватория Камиока . Ноябрь 2009. Архивировано из оригинала 2011-07-16 . Получено 2014-08-31 .
  39. ^ Нишино, Х.; и др. (2009). «Поиск распада протона через p→e + π 0 и p→μ + π 0 в большом водном черенковском детекторе». Physical Review Letters . 102 (14): 141801. arXiv : 0903.0676 . Bibcode :2009PhRvL.102n1801N. doi :10.1103/PhysRevLett.102.141801. PMID  19392425. S2CID  32385768.
  40. ^ Ахмед, С.; и др. (2004). «Ограничения на распад нуклона через невидимые моды из нейтринной обсерватории Садбери». Physical Review Letters . 92 (10): 102004. arXiv : hep-ex/0310030 . Bibcode : 2004PhRvL..92j2004A. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID  15089201. S2CID  119336775.
  41. ^ Vanzella, Daniel AT; Matsas, George EA (2001-09-25). «Распад ускоренных протонов и существование эффекта Фуллинга–Дэвиса–Унру». Physical Review Letters . 87 (15): 151301. arXiv : gr-qc/0104030 . Bibcode : 2001PhRvL..87o1301V. doi : 10.1103/PhysRevLett.87.151301. hdl : 11449/66594. PMID  11580689. S2CID  3202478.
  42. ^ Matsas, George EA; Vanzella, Daniel AT (1999-03-16). "Распад протонов и нейтронов, вызванный ускорением". Physical Review D. 59 ( 9): 094004. arXiv : gr-qc/9901008 . Bibcode : 1999PhRvD..59i4004M. doi : 10.1103/PhysRevD.59.094004. hdl : 11449/65768. S2CID  2646123. Архивировано из оригинала 2023-12-30 . Получено 2022-07-24 .
  43. ^ Vanzella, Daniel AT; Matsas, George EA (2000-12-06). "Слабый распад равномерно ускоренных протонов и связанные с ним процессы". Physical Review D. 63 ( 1): 014010. arXiv : hep-ph/0002010 . Bibcode : 2000PhRvD..63a4010V. doi : 10.1103/PhysRevD.63.014010. hdl : 11449/66417. S2CID  12735961. Архивировано из оригинала 2023-12-30 . Получено 2022-07-24 .
  44. ^ Matsas, George EA; Vanzella, Daniel a. T. (2002-12-01). «Эффект Фуллинга–Дэвиса–Унру обязателен: свидетельство протона». International Journal of Modern Physics D . 11 (10): 1573–1577. arXiv : gr-qc/0205078 . doi :10.1142/S0218271802002918. ISSN  0218-2718. S2CID  16555072. Архивировано из оригинала 24.07.2022 . Получено 24.07.2022 .
  45. ^ Уотсон, А. (2004). Квантовый кварк . Cambridge University Press . С. 285–286. ISBN 978-0-521-82907-6.
  46. ^ Смит, Тимоти Пол (2003). Скрытые миры: Охота на кварки в обычной материи . Princeton University Press . Bibcode : 2003hwhq.book.....S. ISBN 978-0-691-05773-6.
  47. ^ Андре Уокер-Лауд (19 ноября 2018 г.). "Dissecting the Mass of the Proton". Physics . Vol. 11. p. 118. Bibcode : 2018PhyOJ..11..118W. doi : 10.1103/Physics.11.118 . Архивировано из оригинала 2021-06-05 . Получено 2021-06-04 .
  48. ^ См. этот новостной репортаж, заархивированный 16.04.2009 на Wayback Machine и ссылки.
  49. ^ ab Durr, S.; Fodor, Z.; Frison, J.; Hoelbling, C.; Hoffmann, R.; Katz, SD; Krieg, S.; Kurth, T.; Lellouch, L.; Lippert, T.; Szabo, KK; Vulvert, G. (2008). "Ab Initio определение масс легких адронов". Science . 322 (5905): 1224–1227. arXiv : 0906.3599 . Bibcode :2008Sci...322.1224D. CiteSeerX 10.1.1.249.2858 . doi :10.1126/science.1163233. PMID  19023076. S2CID  14225402. 
  50. ^ Perdrisat, CF; Punjabi, V.; Vanderhaeghen, M. (2007). «Электромагнитные форм-факторы нуклонов». Progress in Particle and Nuclear Physics . 59 (2): 694–764. arXiv : hep-ph/0612014 . Bibcode :2007PrPNP..59..694P. doi :10.1016/j.ppnp.2007.05.001. S2CID  15894572.
  51. ^ Боффи, Зигфридо; Пасквини, Барбара (2007). «Обобщенные партонные распределения и структура нуклона». Ривиста дель Нуово Чименто . 30 (9): 387. arXiv : 0711.2625 . Бибкод : 2007NCimR..30..387B. дои : 10.1393/ncr/i2007-10025-7. S2CID  15688157.
  52. ^ Джошуа, Эрлих (декабрь 2008 г.). «Последние результаты в AdS/QCD». Труды 8-й конференции по кварковому удержанию и спектру адронов, 1–6 сентября 2008 г., Майнц, Германия . arXiv : 0812.4976 . Bibcode : 2008arXiv0812.4976E.
  53. ^ Pietro, Colangelo; Alex, Khodjamirian (октябрь 2000 г.). «Правила сумм QCD, современная перспектива». В M., Shifman (ред.). At the Frontier of Particle Physics: Handbook of QCD . World Scientific Publishing . стр. 1495–1576. arXiv : hep-ph/0010175 . Bibcode : 2001afpp.book.1495C. CiteSeerX 10.1.1.346.9301 . doi : 10.1142/9789812810458_0033. ISBN  978-981-02-4445-3. S2CID  16053543.
  54. ^ "2022 CODATA Value: радиус заряда протона rms". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
  55. ^ Миллер, Джеральд А. (2019-03-07). «Определение радиуса протона: унифицированное рассмотрение». Physical Review C. 99 ( 3): 035202. arXiv : 1812.02714 . Bibcode : 2019PhRvC..99c5202M. doi : 10.1103/PhysRevC.99.035202. ISSN  2469-9985.
  56. ^ Pohl, Randolf; et al. (8 июля 2010 г.). «Размер протона». Nature . 466 (7303): 213–216. Bibcode :2010Natur.466..213P. doi :10.1038/nature09250. PMID  20613837. S2CID  4424731.
  57. ^ Карр, Жан-Филипп; Маршан, Доминик; Вотье, Эрик (ноябрь 2020 г.). «Размер протона». Nature Reviews Physics . 2 (11): 601–614. Bibcode : 2020NatRP...2..601K. doi : 10.1038/s42254-020-0229-x. ISSN  2522-5820. Архивировано из оригинала 28.03.2024 . Получено 28.03.2024 .
  58. ^ Буркерт, В.Д.; Элуадрири, Л.; Жирод, FX (16 мая 2018 г.). «Распределение давления внутри протона». Природа . 557 (7705): 396–399. Бибкод : 2018Natur.557..396B. дои : 10.1038/s41586-018-0060-z. OSTI  1438388. PMID  29769668. S2CID  21724781.
  59. ^ "Вуд К. Силы завихрения, сокрушительные давления, измеренные в протоне. Журнал Quanta, 14 марта 2024 г.". Архивировано из оригинала 1 апреля 2024 г. Получено 1 апреля 2024 г.
  60. ^ Burkert, VD; et al. (2023-12-22). "Colloquium: Gravitational form factors of the proton". Reviews of Modern Physics . 95 (4): 041002. arXiv : 2303.08347 . Bibcode : 2023RvMP...95d1002B. doi : 10.1103/RevModPhys.95.041002. ISSN  0034-6861.
  61. ^ Kumerički, Krešimir (июнь 2019). "Измеримость давления внутри протона". Nature . 570 (7759): E1–E2. Bibcode :2019Natur.570E...1K. doi :10.1038/s41586-019-1211-6. ISSN  0028-0836. PMID  31168113. Архивировано из оригинала 2024-03-27 . Получено 2024-03-27 .
  62. ^ Dutrieux, H.; Lorcé, C.; Moutarde, H.; Sznajder, P.; Trawiński, A.; Wagner, J. (апрель 2021 г.). «Феноменологическая оценка механических свойств протона с помощью глубоко виртуального комптоновского рассеяния». The European Physical Journal C. 81 ( 4): 300. arXiv : 2101.03855 . Bibcode : 2021EPJC...81..300D. doi : 10.1140/epjc/s10052-021-09069-w. ISSN  1434-6044.
  63. ^ Headrick, JM; Diken, EG; Walters, RS; Hammer, NI; Christie, RA; Cui, J.; Myshakin, EM; Duncan, MA; Johnson, MA; Jordan, KD (2005). "Спектральные сигнатуры гидратированных протонных колебаний в водных кластерах". Science . 308 (5729): 1765–1769. Bibcode :2005Sci...308.1765H. doi :10.1126/science.1113094. PMID  15961665. S2CID  40852810.
  64. ^ ab "Миссия Аполлон-11". Институт Луны и Планет . 2009. Архивировано из оригинала 2012-08-07 . Получено 2009-06-12 .
  65. ^ abc "Космические путешествия и рак связаны? Исследователь из Стоуни-Брука получает грант НАСА на изучение эффектов космической радиации". Брукхейвенская национальная лаборатория . 12 декабря 2007 г. Архивировано из оригинала 26 ноября 2008 г. Получено 12 июня 2009 г.
  66. ^ ab Shukitt-Hale, B.; Szprengiel, A.; Pluhar, J.; Rabin, BM; Joseph, JA (2004). «Влияние воздействия протонов на нейрохимию и поведение». Advances in Space Research . 33 (8): 1334–9. Bibcode :2004AdSpR..33.1334S. doi :10.1016/j.asr.2003.10.038. PMID  15803624. Архивировано из оригинала 25.07.2011 . Получено 12.06.2009 .
  67. ^ Грин, NW; Фредериксон, AR (2006). "Исследование зарядки космических аппаратов под воздействием межпланетных протонов" (PDF) . Труды конференции AIP . 813 : 694–700. Bibcode :2006AIPC..813..694G. CiteSeerX 10.1.1.541.4495 . doi :10.1063/1.2169250. Архивировано из оригинала (PDF) 27-05-2010 . Получено 12-06-2009 . 
  68. ^ Planel, H. (2004). Космос и жизнь: введение в космическую биологию и медицину. CRC Press . С. 135–138. ISBN 978-0-415-31759-7. Архивировано из оригинала 2020-08-09 . Получено 2020-07-13 .
  69. ^ Габриэльс, Г. (2006). «Измерения массы антипротона». Международный журнал масс-спектрометрии . 251 (2–3): 273–280. Bibcode : 2006IJMSp.251..273G. doi : 10.1016/j.ijms.2006.02.013.
  70. ^ "BASE точно измеряет магнитный момент антипротона". CERN . Архивировано из оригинала 2022-03-04 . Получено 2022-03-04 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки