Proton | |
---|---|
Quark-modell av protonet | |
Klassifisering | Sammensatt partikkel ( hadron ) |
Komposisjon | 2 opp kvark , 1 ned kvark (uud) |
Familie | Fermioner |
Gruppe | Barioni |
Interaksjoner | Gravitasjon , elektromagnetisk , svak , sterk |
Symbol | s |
Antipartikkel | Antiproton ( p ) |
Teoretiserte | William Prout (1815) |
Oppdagelse | Ernest Rutherford (1919) |
Fysiske egenskaper | |
Masse | |
Elektrisk ladning | 1 og |
Ladeområde | (0,833 ± 0,010) × 10 −15 m [5] |
Snurre rundt | ½ |
Protonet er en subatomær partikkel med en positiv elektrisk ladning, dannet av to opp-kvarker og en ned-kvark forbundet med den sterke interaksjonen og kalt "valens" da de bestemmer nesten alle dens fysiske egenskaper.
Det utgjør atomkjernen sammen med nøytronet , som det kontinuerlig transformeres med gjennom utslipp og absorpsjon av pioner . Siden den er dannet av kvarker , tilhører den hadronfamilien , spesielt til gruppen baryoner , og med et halvheltallsspinn er det en fermion . I tillegg til å være bundet, alltid av den sterke interaksjonen, i atomkjernen, kan den være fri, en tilstand der den er blant de mest stabile partiklene som eksisterer, med en gjennomsnittlig tid med spontant forfall antatt lik eller større enn universets alder .
Oppdaget av Ernest Rutherford i 1919, [6] ble navnet "proton" introdusert i 1920 av Rutherford selv som "proton" (på engelsk), basert på det eldgamle greske uttrykket πρῶτον ( proton ) , en superlativ av nøytral kjønnsbetydning "som er foran alle, den første ". [7] Det engelske uttrykket "proton" har blitt importert til italiensk ved å legge til en siste -e for å italienskisere formen; [8] og derfor er den siste delen "-en" av "proton" ikke et suffiks her og må derfor ikke foreslå en forsterker, slik det skjer i flere andre tilfeller på italiensk; [9] dette i motsetning til hva som skjedde med navnet på nøytrinoen , hvor endelsen -ino faktisk har diminutiv verdi. Navnet ble faktisk foreslått av Fermi i 1932 for det daværende " Pauli -nøytronet " for å skille det fra " Chadwick -nøytronet " (det nåværende nøytronet ), en mye mer massiv partikkel; da ble navnet sittende fast. [10] Tidligere eksperimenter, inkludert de utført av fysikerne Eugen Goldstein og Wilhelm Wien , hadde allerede avslørt eksistensen av positivt ladede partikler i kanalstrålene .
Verdien av den elektriske ladningen til protonet er den samme som for elektronet , men av motsatt fortegn (1,602 × 10-19 C ) . I kjerner balanseres den frastøtende kraften mellom protoner av tilstedeværelsen av nøytroner og av den sterke kjernekraften som tiltrekker nukleonene til hverandre. Hvilemassen til protonet er ca1,6726231 × 10 −27 kg (9.3828 × 10 2 MeV / c² ), litt lavere enn nøytronets og omtrent 1836 ganger høyere enn elektronets.
Det magnetiske momentet til protonet i kjernemagnetonenheter er lik +2,793 μN : det var mulig å forklare den unormale verdien av protonets magnetiske moment bare takket være den konstituerende kvarkmodellen som ble introdusert på 1960-tallet .
En klassisk protonradius er også definert:
lik1 529 × 10 −18 m , som imidlertid ikke har en veldefinert fysisk betydning. Faktisk, eksperimentelt er dens elektriske ladning fordelt i en kule med en gjennomsnittlig radius lik 0,833 ± 0,010 fm (8,33 × 10 −16 ± 1,0 × 10 −17 m ) [5] [11] . Protonets radius er omtrent 60 000 ganger mindre enn radiusen til det frie heliumatomet , som er omtrent 50 pikometer . For å få en ide om størrelsen kan det betraktes at diameteren til et menneskehår er omtrent ti tusen milliarder ganger større enn et proton, eller at prikken til en i kan inneholde omtrent 500 milliarder, om enn i gjennomsnitt veldig avstand mellom dem. [12]
Kjernen til den vanligste isotopen av hydrogen , grandonkelen , består utelukkende av et proton. Kjernene til de andre atomene er sammensatt av nøytroner og protoner holdt sammen av den sterke kraften , som effektivt motvirker Coulomb-frastøtingen på grunn av den elektromagnetiske interaksjonen mellom ladninger av samme tegn. Antall protoner i kjernen, kalt atomnummeret , bestemmer, sammen med antall elektroner, de kjemiske egenskapene til atomet og selve grunnstoffets natur.
I kjemi og biokjemi brukes begrepet nesten alltid feil for å referere til hydrogenionet i vandig løsning ( hydrogenion ), mens det frie protonet i vandig løsning i virkeligheten ikke eksisterer og i stedet eksisterer det kovalente molekylære ionet hydroxonium eller ganske enkelt oksonium H 3 O + . I denne sammenhengen, ifølge Brønsted-Lowry syre-base teorien , er en protondonor en syre og en protonakseptor en base .
Protonet, i motsetning til andre partikler som elektronet , er ikke en grunnleggende partikkel, men består av kvarker og gluoner , koblet sammen med mekanismen som kalles fargebegrensning . Innesperring er et fenomen som er et resultat av sterk interaksjon , hvis natur imidlertid er uklar og unnvikende. For eksempel er det interessant å merke seg at den svært store delen, omtrent 99 %, av massen til protonet, så vel som nøytronets masse, bestemmes av energien til den samme sterke interaksjonen som holder kvarkene sammen . enn ved sin egen masse. [13] Intensiteten til den sterke kjernekraften avtar etter hvert som energien til de samvirkende partiklene øker, slik at kvarker og gluoner manifesterer seg som enkeltpartikler kun ved kollisjoner ved høye energier eller temperaturer, hvor protoner, som generelt de andre hadronene , smelter sammen for å danne plasma av kvarker og gluoner .
Den indre strukturen til protoner studeres i partikkelakseleratorer gjennom høyenergi- elastiske og uelastiske kollisjoner mellom protoner og nukleoner og mellom protoner og leptoner , for eksempel elektroner. Fra denne typen eksperimenter, med utgangspunkt i SLAC , var det mulig å oppdage for første gang eksistensen av partikler inne i protonet. [14] På grunnlag av disse eksperimentene formulerte Feynman partonmodellen , den første som tok hensyn til den sammensatte strukturen til protonet. [15] I senere år ble partoner identifisert med kvarker og gluoner, hvis interaksjoner er beskrevet av kvantekromodynamikk . Fra et teoretisk synspunkt koder fordelingsfunksjonene til kvarker og gluoner for den sammensatte strukturen til protonet.
Protonet er dannet av tre kvarker som kalles valens , som er i stand til å forklare dets kvantetall, som spinn og elektrisk ladning, men som ikke fanger opp alle interaksjonene og dynamikken inne i protonet. For eksempel, å vite at protonet består av to valens opp- og én ned-kvarker, og å vite at opp-kvarken har elektrisk ladning , mens ned- kvarken , er det mulig å beregne at den elektriske ladningen til protonet er lik .
Bølgefunksjonen til protonet må være totalt antisymmetrisk med hensyn til utveksling av to valenskvarker, siden protonet er en fermion. Antisymmetrien for baryoner er gitt av fargekomponentene, mens bølgefunksjonen for smaks- og spinnkomponentene er symmetrisk og lik
,hvor hver opp eller ned kvark er tildelt et spinn opp eller ned . [16]
I følge nåværende eksperimenter innen partikkelfysikk er protonet en "stabil" partikkel , noe som betyr at det ikke forfaller til andre partikler og derfor, innenfor de eksperimentelle grensene, er dets liv evig. [17] Dette faktum er oppsummert ved bevaring av baryontallet i prosessene mellom elementærpartikler . Faktisk er den letteste baryonen nettopp protonet, og hvis baryontallet skal bevares, kan det ikke forfalle til noen annen lettere partikkel.
Imidlertid forblir muligheten åpen for at protonet kan forfalle til andre partikler i tider som er mye lengre enn de som er observert så langt. Faktisk foreslår flere teoretiske modeller for stor forening (GUT) ikke-konserveringsprosesser for baryontallet, inkludert forfallet av protonet. Ved å studere dette eventuelle fenomenet ville det være mulig å undersøke en energiregion som for øyeblikket ikke er tilgjengelig (ca.1 × 10 15 GeV ) og oppdage eksistensen eller ikke av en enkelt grunnleggende kraft. Av denne grunn er flere eksperimenter aktive i verden som tar sikte på å måle protonets gjennomsnittlige levetid. Imidlertid, hvis en slik hendelse eksisterer, er det ekstremt vanskelig å observere da det krever svært store og komplekse apparater for å samle et tilstrekkelig stort antall protoner og har en ikke ubetydelig sannsynlighet for å oppdage et forfall. Foreløpig er det bare eksperimentelle grenser for de forskjellige forfallskanalene, alle mye høyere enn universets alder.
For eksempel er en av de mest studerte forfallskanalene følgende:
med en nedre grense for delvis gjennomsnittlig levetid lik1,6 × 10 33 år. [18]