Proton

Proton
A proton kvark modellje
Osztályozás	Összetett részecske ( hadron )
Fogalmazás	2 up quark , 1 down quark (uud)
Család	Fermions
Csoport	Barioni
Interakciók	Gravitációs , elektromágneses , gyenge , erős
Szimbólum	p
Antirészecske	Antiproton ( p )
Elméletileg	William Prout (1815)
Felfedezés	Ernest Rutherford (1919)
Fizikai tulajdonságok
Tömeg	1,67262192369 (51) × 10–27  kg ] 938.27208816 (29)  MeV / c² 1,007276466621 (53)  u
Elektromos töltés	1 és 1,602176634 × 10 −19  C
Töltési tartomány	(0,833 ± 0,010) × 10–15 m  [
Spin	½

A proton egy pozitív elektromos töltésű szubatomi részecske , amelyet az erős kölcsönhatás által összekapcsolt két up kvark és egy down kvark alkot , és "valenciának" nevezik, mivel szinte minden fizikai jellemzőjét meghatározzák.

Ez alkotja az atommagot a neutronnal együtt, amellyel a pionok kibocsátása és abszorpciója révén folyamatosan átalakul . Mivel kvarkok alkotják , a hadronok családjába , különösen a barionok csoportjába tartozik , és félegész spinnel fermion . Amellett, hogy az atommagban mindig az erős kölcsönhatáshoz kötődik, lehet szabad is, olyan állapot, amelyben a létező legstabilabb részecskék közé tartozik, és a spontán bomlás átlagos ideje egyenlő vagy nagyobb, mint a az univerzum kora .

Felfedezés és etimológia

Ernest Rutherford fedezte fel 1919-ben, a "proton" nevet maga Rutherford vezette be 1920-ban "proton" néven (angolul), az ógörög πρῶτον ( pròton ) kifejezés alapján , amely a semleges nem szuperlatívusza , amely jelentése " mindenki előtt áll, az első." Az angol "proton" kifejezést úgy importálták az olasz nyelvbe, hogy egy utolsó -e-t adtak hozzá, hogy olaszosítsák a formáját; , és ezért a „proton” utolsó „-egy” része itt nem utótag, ezért nem sugallhat augmentatívumot, mint az olasz nyelvben számos más esetben megtörténik; ellentétben azzal, ami a neutrínó nevével történt , ahol az -ino végződés valójában kicsinyítő értékű. A nevet valójában Fermi javasolta 1932-ben az akkori „ Pauli -neutron ” számára, hogy megkülönböztesse a „ Chadwick -neutrontól ” (a jelenlegi neutron ), egy sokkal nagyobb tömegű részecske; aztán megragadt a név. Korábbi kísérletek, köztük Eugen Goldstein és Wilhelm Wien fizikusok által végzett kísérletek már feltárták a pozitív töltésű részecskék létezését a csatornasugarakban .

Általános jellemzők

Az elektron, proton és neutron tömegének összehasonlítása.

A proton elektromos töltésének értéke megegyezik az elektronéval , de ellentétes előjelű (1,602 × 10 ^-19  C ). Az atommagokban a protonok közötti taszító erőt a neutronok jelenléte és a nukleonokat egymáshoz vonzó erős magerő egyensúlyozza ki . A proton nyugalmi tömege kb1,6726231 × 10 ^-27  kg (9,3828 × 10 ²  MeV / c² ), valamivel alacsonyabb, mint a neutroné és körülbelül 1836-szor nagyobb, mint az elektronoké.

A proton mágneses momentuma a magmagneton egységekben +2,793 μN _{: a proton mágneses momentumának} rendellenes értékét csak az 1960 -as években bevezetett alkotó kvark modellnek köszönhetően lehetett megmagyarázni .

A klasszikus proton sugarát is meghatározzák:

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

egyenlő1529 × 10 ⁻¹⁸  m , aminek azonban nincs jól körülhatárolt fizikai jelentése. Valójában kísérletileg elektromos töltése egy 0,833 ± 0,010  fm (8,33 × 10 ^-16  ± 1,0 × 10 ^-17  m ) átlagos sugarú gömbben oszlik meg . A proton sugara körülbelül 60 000-szer kisebb, mint a szabad hélium atomé , ami körülbelül 50 pikométer . Ahhoz, hogy képet kapjunk a méretéről, figyelembe vehető, hogy az emberi hajszál átmérője körülbelül tízezer milliárdszor nagyobb, mint a protoné, vagy az i pontja átlagosan körülbelül 500 milliárdot tartalmazhat. nagyon távol vannak közöttük.

Kémiai tulajdonságok

A hidrogén leggyakoribb izotópjának , a nagybácsinak a magja kizárólag protonból áll. A többi atom atommagja neutronokból és protonokból áll, amelyeket az erős erő tartja össze , ami hatékonyan ellensúlyozza az azonos előjelű töltések közötti elektromágneses kölcsönhatásból adódó Coulomb-taszítást . Az atommagban lévő protonok száma, az úgynevezett atomszám , az elektronok számával együtt meghatározza az atom kémiai tulajdonságait és az elem természetét.

A kémiában és a biokémiában ezt a kifejezést szinte mindig helytelenül használják a vizes oldatban lévő hidrogénionra ( hidrogénion ), míg a valóságban a szabad proton vizes oldatban nem létezik, helyette a kovalens molekulaion hidroxónium vagy egyszerűen oxónium H ₃ létezik. O ⁺ . Ebben az összefüggésben a Brønsted-Lowry sav-bázis elmélet szerint a protondonor sav , a proton akceptor pedig bázis .

Kvantumtulajdonságok

A proton, ellentétben más részecskékkel, például az elektronnal , nem alapvető részecske, hanem kvarkokból és gluonokból áll, amelyeket a színmeghatározásnak nevezett mechanizmus köt össze . A bezártság erős interakcióból eredő jelenség , amelynek természete azonban homályos és megfoghatatlan. Például érdekes megjegyezni, hogy a proton és a neutron tömegének igen nagy részét, körülbelül 99%-át, ugyanazon erős kölcsönhatás energiája határozza meg , amely a kvarkokat összetartja . mint saját tömegükkel. Az erős magerő intenzitása a kölcsönhatásban lévő részecskék energiájának növekedésével csökken, így a kvarkok és gluonok csak nagy energiájú vagy hőmérsékletű ütközésekben jelennek meg egyedi részecskékként, ahol a protonok, mint általában a többi hadron , összeolvadnak a kvarkok és gluonok plazmájává .

A protonok belső szerkezetét részecskegyorsítókban tanulmányozzák protonok és nukleonok , valamint protonok és leptonok , például elektronok közötti nagy energiájú rugalmas és rugalmatlan ütközések révén. Az ilyen típusú kísérletekből, az SLAC - ból kiindulva , először sikerült felfedezni a részecskék létezését a protonban. E kísérletek alapján Feynman megalkotta a parton modellt , amely elsőként vette figyelembe a proton összetett szerkezetét. A későbbi években a partonokat kvarkokkal és gluonokkal azonosították, amelyek kölcsönhatásait a kvantumkromodinamika írja le . Elméleti szempontból a kvarkok és gluonok eloszlási függvényei kódolják a proton összetett szerkezetét.

Valencia kvarkok hullámfüggvénye

A protont három valencia nevű kvark alkotja , amelyek képesek megmagyarázni kvantumszámait, például a spint és az elektromos töltést, de nem rögzítik a protonon belüli összes kölcsönhatást és dinamikát. Például, ha tudjuk, hogy a proton két vegyértékű up és egy down kvarkból áll, és tudjuk, hogy az up kvarknak elektromos töltése van , míg a down kvarknak , akkor kiszámítható, hogy a proton elektromos töltése egyenlő . $+2/3$$-1/3$${\ displaystyle 2/3 + 2 / 3-1 / 3 = + 1}$

A proton hullámfüggvényének teljesen antiszimmetrikusnak kell lennie két vegyérték-kvark cseréje tekintetében, mivel a proton egy fermion. A barionok antiszimmetriáját a színösszetevők adják, míg az íz- és spinkomponensek hullámfüggvénye szimmetrikus és egyenlő

${\ displaystyle | p _ {\ uparrow} \ rangle = {\ frac {1} {\ sqrt {18}}} [2 | u _ {\ uparrow} d _ {\ downarrow} u _ {\ uparrow} \ rangle +2 | u_ {\ uparrow} u _ {\ uparrow} d _ {\ downarrow} \ range +2 | d _ {\ downarrow} u _ {\ uparrow} u _ {\ uparrow} \ rangle - | u _ { \ uparrow} u _ {\ downarrow} d_ { \ uparrow} \ rangle - | u _ {\ uparrow} d _ {\ uparrow} u _ {\ downarrow} \ rangle - | u _ {\ downarrow} d _ {\ uparrow} u _ {\ uparrow} \ rangle - | d _ {\ uparrow} u _ {\ downarrow} u _ {\ uparrow} \ rangle - | d _ {\ uparrow} u _ {\ uparrow} u _ {\ downarrow} \ rangle - | u _ {\ downarrow} u _ {\ uparrow} d _ {\ uparrow} \ rangle ]}$,

ahol minden felfelé vagy lefelé kvarkhoz egy felfelé vagy lefelé forgás van hozzárendelve . $u$$d$$\ felfelé nyíl$$\ lefele nyíl$

A proton bomlása

A jelenlegi részecskefizikai kísérletek szerint a proton "stabil" részecske , ami azt jelenti, hogy nem bomlik le más részecskékre, ezért a kísérleti határokon belül élete örök. Ezt a tényt az elemi részecskék közötti folyamatokban a barionszám megmaradása foglalja össze . Valójában a legkönnyebb barion pontosan a proton, és ha a barionszámot meg kell őrizni, akkor nem bomlik le más könnyebb részecskévé.

Mindazonáltal fennáll annak lehetősége, hogy az eddig megfigyelteknél sokkal hosszabb időn belül a proton más részecskékre bomlik. Valójában a nagy egyesülés (GUT) számos elméleti modellje a barionszám nem konzerváló folyamatait javasolja, beleértve a proton bomlását. Ennek az esetleges jelenségnek a tanulmányozásával egy jelenleg elérhetetlen energiarégió (kb1 × 10 ¹⁵  GeV ), és fedezze fel egyetlen alapvető erő létezését vagy sem. Emiatt több olyan kísérlet is aktív a világon, amelyek célja a proton átlagos élettartamának mérése. Ha azonban létezik ilyen esemény, azt rendkívül nehéz megfigyelni, mivel nagyon nagy és összetett készülékekre van szükség ahhoz, hogy kellően nagy számú protont gyűjtsenek össze, és nem elhanyagolható a bomlás észlelésének valószínűsége . Jelenleg csak kísérleti korlátok vannak a különböző bomlási csatornákra vonatkozóan, amelyek mindegyike jóval nagyobb, mint a világegyetem kora.

Például az egyik leggyakrabban tanulmányozott csillapítási csatorna a következő:

${\ displaystyle p \ to e ^ {+} + \ pi ^ {0}}$

a részleges átlagos élettartam alsó határával egyenlő1,6 × 10 ³³ év.

Bibliográfia

• ( FR ) Albert Messiah, Mécanique quantique, 1. kötet , Dunod, 1966.
• Paul Dirac , A kvantummechanika alapelvei , Bollati Boringhieri, 1971.
• John von Neumann , A kvantummechanika matematikai alapjai , Princeton University Press, 1955.
• Stephen Gustafson és Israel M. Sigal, Mathematical concepts of quantum mechanics , Springer, 2006.
• Franz Schwabl, Kvantummechanika , Springer , 2002.
• ( EN ) Franco Strocchi, Bevezetés a kvantummechanika matematikai szerkezetébe, rövid kurzus matematikusoknak , World Scientific Publishing, 2005.
• ( EN ) L. Pauling és EB Wilson, Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry , New York, McGrawHill, 1935.
• ( EN ) S. Dushman, The Elements of Quantum Mechanics , New York, John Wiley & Sons, 1938.
• ( EN ) M. Planck , L. Silberstein és HT Clarke, A kvantumelmélet eredete és fejlődése , Oxford, Clarendon Press, 1922.
• ( EN ) F. Reiche, H. Hatfield és 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.
• Giancarlo Ghirardi , Pillantás Isten kártyáiba , Net, 1997.

Kapcsolódó elemek

• Atom
• Elektron
• Neutron
• Nukleáris magneton

Egyéb projektek

Egyéb projektek

• Wikiszótár
• Wikimedia Commons

• A Wikiszótár tartalmazza a lemma « proton » szótárat
• A Wikimedia Commons képeket vagy más fájlokat tartalmaz a protonról

Külső linkek

• protone , a Treccani.it - ​​Online Encyclopedias , Institute of the Italian Encyclopedia oldalon .
• ( EN ) Proton , in Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• ( EN ) IUPAC Gold Book, "proton" , a goldbook.iupac.org oldalon .