ПРОТОН

ПРОТОН

       

(от греч. protos — первый) (символ р), стабильная элем. частица, ядро атома водорода. Масса П. mр=1,672614(14) •10-24 г »1836 mе, где mе— масса эл-на; в энергетич. ед. mp»938,3 МэВ. Электрич. заряд П. положителен: е=4,803242(14) •10-10 СГСЭ ед. заряда. Спин П. равен 1/2 (в ед. ћ,), поэтому П. подчиняются Ферми — Дирака статистике. Магн. момент П. равен: mр= 2,792763(30) mя, где mя— яд. магнетон. Вместе с нейтронами П. образуют ат. ядра всех хим. элементов, при этом число П. в ядре равно ат. номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодич. системе элементов Менделеева. Существует античастица по отношению к П.— антипротон.

К представлению о П. привели создание планетарной модели атома (англ. физик Э. Резерфорд, ,1911), открытие изотопов (англ. радиохимик Ф. Содди, англ. физики Дж. Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906 — 19), ат. массы к-рых оказались кратными ат. массе водорода, эксперим. наблюдение ядер водорода, выбитых a-частицами из ядер др. элементов (Резерфорд, 1919— 1920). Термин «П.» ввёл Резерфорд в нач. 20-х гг.

П. явл. адроном. Кроме сильного вз-ствия, он также участвует во всех др. фундам. вз-ствиях: эл.-магн., слабом и гравитационном. Он относится к классу барионов; его барионный заряд В=1. Законом сохранения барионного заряда определяется стабильность П.— самого лёгкого из барионов; по эксперим. данным, ср. время жизни П. tр>1030 лет. Модели т. н. «великого объединения» сильного, слабого и эл.-магн. вз-ствий предсказывают нарушение закона сохранения барионного заряда и соотв. стабильности протона с tp=1030—1032 лет.

В сильном вз-ствии П. и нейтрон имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два квант. состояния одной ч-цы — нуклона, к-рому приписывается квант. число изотопич. спин I=1/2 (см. ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ). Важнейший пример сильного вз-ствия с участием П.— яд. силы, связывающие нуклоны в ядре. Общий подход в теор. объяснении св-в П. (напр., в процессах рассеяния) сводится к предположению о том, что П. окружён облаком виртуальных частиц, к-рые он непрерывно испускает и поглощает. Вз-ствие П. с др. ч-цами рассматривается как процесс обмена виртуальными ч-цами. Напр., яд. силы и низкоэнергетич. процессы объясняются в осн. обменом виртуальным p-мезоном между нуклонами. Эксперим. данные по рассеянию ч-ц высоких энергий (сотни МэВ и выше) объясняются участием в виртуальных процессах наряду с p-мезонами др. адронов и образованием при определённых условиях резонансов в промежуточных состояниях.

Эл.-магн. св-ва П. неразрывно связаны с его участием в сильном вз-ствии. Пример этой связи — фоторождение мезонов, к-рое можно рассматривать как выбивание мезонов из облака виртуальных адронов, окружающих П., g-квантом (с энергией ?150 МэВ). Вз-ствием П. с виртуальными p-мезонами качественно объясняется большое отличие магн. момента П. от яд. магнетона. Исследования рассеяния эл-нов и g-квантов на П. позволили обнаружить пространств. распределение электрич. заряда и магн. момента П. (амер. физик Р. Хофстедтер и др., 1957) и электрич. и магн. поляризуемостей П. (В. И. Гольданский и др., 1960) и т. о. получить свидетельство о наличии внутр. структуры П. Отличие эл.-магн. св-в П. от св-в точечной заряж. ч-цы описывается введением формфактора.

Примерами слабого вз-ствия с участием П. явл. внутриядерные превращения П. в нейтрон и наоборот, проявляющиеся в виде бета-распада ядер и электронного захвата.

Совр. объяснение структуры П. основано на кварковой модели адронов, согласно к-рой Н. состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, связанных обменом др. гипотетич. ч-цами — глюонами (см. КВАРКИ, КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА, ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ). Эксперим. данные по процессам с большой передачей импульса, напр. по глубоко неупругому процессу рассеяния эл-нов на П., свидетельствуют о существовании внутри П. точечноподобных рассеивающих центров — партонов. С точки зрения кварковой модели, партонами явл. кварки.

Ввиду стабильности П., наличия у него электрич. заряда и относит. простоты получения (ионизацией водорода) пучки ускоренных П. явл. одним из осн. инструментов эксперим. физики элем. ч-ц. Очень часто и мишенью в опытах по соударению ч-ц также явл. П.— свободные (водород) или связанные в ядрах. П. высокой энергии получают на ускорителях. Ускоренные П. используются не только для изучения рассеяния самих П., но также и для получения пучков ч-ц: я- и К-мезонов, антипротонов, мюонов. Пучки ускоренных П. используются в лучевой терапии.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ПРОТОН

(от греч. protos - первый) (символ р)- стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Масса m _р = 1,672614(14)·10^-24 г 1836 m _е, где m _е - масса электрона; в энергетич. единицах nip939,3 МэВ. Электрич. заряд П. положителен: е = 4,803242(14)·10^-10 СГСЭ единиц заряда. Спин П. равен , поэтому П. подчиняются Ферми- Дирака статистике. Магн. момент П. m_p = 2,792763(30)m _я, где m _Я - ядерный магнетон. Вместе с нейтронами П. образуют атомные ядра всех хим. элементов, при этом число П. в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодич. системе элементов Менделеева. Существует античастица по отношению к П.- антипротон.

К представлению о П. привели создание планетарной модели атома [Э. Резерфорд (Е. Rutherford), 1911]; открытие изотопов [Ф. Содди (F. Soddy), Дж. Дж. <Томсон (J. J. Thomson), F. Астон (F. Aston), 1906-19], атомные массы к-рых оказались кратными атомной массе водорода; эксперим. наблюдение ядер водорода, выбитых a-частицами из ядер др. элементов (Резерфорд, 1919-20). Термин "П." ввёл Резерфорд в нач. 20-х гг.

П. является адроном. Кроме сильного взаимодействия он также участвует во всех др. фундам. взаимодействиях: электромагнитном, слабом и гравитационном. П. относится к классу барионов; его барионное число В =1. Законом сохранения барионного числа определяется стабильность П.- самого лёгкого из ба-рионов. По геохим. данным, время жизни П. > 1,6·10^25d лет, а по данным эксперим. исследований конкретных мод распада П.,> 10³¹ лет. Модели т. н. великого объединения сильного, слабого и эл.-магн. взаимодействий предсказывают нарушение закона сохранения барионного числа и соответственно стабильности протона с , зависящим от детальной структуры модели и лежащим в диапазоне времён 10³⁰-10⁶⁰ лет. В сильном взаимодействии П. и нейтрон имеют одинаковые свойства и рассматриваются как два зарядовых состояния одной частицы - нуклона, к-рому приписывается квантовое число изотопический спин I = (см. Изотопическая инвариантность). Важнейшее проявление сильного взаимодействия с участием П.- ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре. При теоретич. описании сильного взаимодействия П. плодотворным оказался подход, основанный на предположении о том, что П. окружён облаком виртуальных частиц, к-рые он непрерывно испускает и поглощает. Взаимодействие П. с др. частицами рассматривается как процесс обмена виртуальными частицами. Напр., ядерные силы и низкоэнергетич. процессы объясняются в основном обменом виртуальным пионом между нуклонами. Эксперим. данные по рассеянию П. и нейтронов более высоких энергий объясняются участием в виртуальных процессах наряду с отд. пионами групп пионов, а также разл. мезонных резонансов.

Эл.-магн. свойства П. неразрывно связаны с наличием вокруг него облака виртуальных адронов. Именно взаимодействием g-кванта с виртуальными пионами качественно объясняется большое отличие магн. момента П. от ядерного магнетона. Исследования рассеяния электронов и g-квантов на П. позволили найти пространственное распределение электрич. заряда и магн. момента П.- его формфактор[Р. Хофштадтер (R. Hofstadter) и др., 1957], а также обнаружить электрич. и магн. поляризуемости П. (В. И. Гольданский и др., 1960), т. е. получить эксперим. доказательство существования внутр. структуры П. Т. о., П. не является точечной частицей; его среднеквадратичный радиус равен 0,8 Ф.

Примерами слабого взаимодействия с участием П. являются внутриядерные превращения П. в нейтрон и , наоборот, проявляющиеся в виде бета-распада ядер и электронного захвата.

Совр. трактовка структуры П. основана на квар-ковои модели адронов. согласно к-рой П. состоит из двух u -кварков и одного d -кварка, удерживаемых силами, связанными с обменом др. гипотетич. частицами - глюонами (см. Кварки, Квантовая хромодинамика). Кварки, в свою очередь, окружены облаком виртуальных глюонов и кварк-антикварковых пар. Эксперим. данные по процессам с большой передачей импульса, напр. по глубоко неупругому процессу рассеяния электронов на П., свидетельствуют о существовании внутри П. точечноподобных рассеивающих центров - порто-нов. С точки зрения кварковой модели, партонами являются кварки.

Ввиду стабильности П., наличия у него электрич, заряда и относит. простоты получения (ионизацией водорода) пучки ускоренных П. являются одним из осн. инструментов эксперим. физики элементарных частиц. · Очень часто мишенью в опытах по соударению частиц также являются П.- свободные (водород ) или связанные в ядрах. П. высокой энергии получают на ускорителях. Ускоренные П. используются не только для изучения рассеяния самих П., но также и для получения пучков частиц: p- и К-мезонов, антипротонов, мюонов. Пучки ускоренных П. применяются в лучевой терапии.

Лит.: Резерфорд Э., Избр. научные труды кн 2- Строение атома и искусственное превращение элементов, <пер. с англ., М., 1972; Жакоб М., Ландшофф П., Внутренняя структура протона, "УФН", 1981, т. 133, в. 3, с 505; "Phvs. Lett. В", 1990, v. 239, Review of particle properties.

Э. А. Тагиров.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.