Il protone è un simbolo in chimica. Protone (particella elementare). vita del protone

L'idrogeno, l'elemento che ha la struttura più semplice. Ha una carica positiva e una durata quasi illimitata. È la particella più stabile dell'universo. I protoni prodotti di conseguenza Big Bang, non si sono ancora lasciati. La massa del protone è 1.627*10-27 kg o 938.272 eV. Più spesso questo valore è espresso in elettronvolt.

Il protone è stato scoperto dal "padre" della fisica nucleare, Ernest Rutherford. Ha avanzato l'ipotesi che i nuclei degli atomi di tutti elementi chimici I protoni sono costituiti da protoni, poiché la loro massa supera il nucleo di un atomo di idrogeno di un numero intero di volte. Rutherford ha organizzato un esperimento interessante. A quel tempo era già stata scoperta la radioattività naturale di alcuni elementi. Usando la radiazione alfa (le particelle alfa sono nuclei di elio con alte energie), lo scienziato ha irradiato atomi di azoto. Come risultato di questa interazione, è stata emessa una particella. Rutherford ha suggerito che fosse un protone. Ulteriori esperimenti nella camera a bolle di Wilson hanno confermato la sua ipotesi. Così nel 1913 fu scoperta una nuova particella, ma l'ipotesi di Rutherford sulla composizione del nucleo si rivelò insostenibile.

Scoperta del neutrone

Il grande scienziato ha riscontrato un errore nei suoi calcoli e ha avanzato un'ipotesi sull'esistenza di un'altra particella che fa parte del nucleo e ha quasi la stessa massa del protone. Sperimentalmente, non poteva rilevarlo.

Ciò fu fatto nel 1932 dallo scienziato inglese James Chadwick. Ha avviato un esperimento durante il quale ha bombardato atomi di berillio con particelle alfa ad alta energia. Di conseguenza reazione nucleare dal nucleo di berillio è volata fuori una particella, in seguito chiamata neutrone. Chadwick ricevette il premio Nobel per la sua scoperta tre anni dopo.

La massa di un neutrone differisce davvero poco dalla massa di un protone (1.622 * 10-27 kg), ma questa particella non ha carica. In questo senso è neutro e allo stesso tempo in grado di provocare la fissione di nuclei pesanti. A causa della mancanza di carica, il neutrone può facilmente passare attraverso la barriera ad alto potenziale di Coulomb e diventare incorporato nella struttura del nucleo.

Il protone e il neutrone hanno proprietà quantistiche (possono mostrare le proprietà delle particelle e delle onde). La radiazione di neutroni viene utilizzata per scopi medici. L'alto potere di penetrazione consente a questa radiazione di ionizzare i tumori profondi e altre formazioni maligne e di rilevarli. In questo caso, l'energia delle particelle è relativamente piccola.

Il neutrone, a differenza del protone, è una particella instabile. La sua durata è di circa 900 secondi. Decade in un protone, un elettrone e un neutrino elettronico.

DEFINIZIONE

Protone detta particella stabile appartenente alla classe degli adroni, che è il nucleo di un atomo di idrogeno.

Gli scienziati non sono d'accordo su quali eventi scientifici dovrebbero essere considerati la scoperta del protone. Un ruolo importante nella scoperta del protone è stato svolto da:

1. la creazione da parte di E. Rutherford del modello planetario dell'atomo;
2. scoperta di isotopi da parte di F. Soddy, J. Thomson, F. Aston;
3. osservazioni del comportamento dei nuclei degli atomi di idrogeno quando vengono eliminati dalle particelle alfa dai nuclei di azoto di E. Rutherford.

Le prime fotografie di tracce di protoni sono state ottenute da P. Blackett in una camera a nebbia mentre studiava i processi di trasformazione artificiale degli elementi. Blackett ha studiato la cattura delle particelle alfa da parte dei nuclei di azoto. In questo processo è stato emesso un protone e il nucleo di azoto è stato convertito in un isotopo di ossigeno.

I protoni, insieme ai neutroni, fanno parte dei nuclei di tutti gli elementi chimici. Il numero di protoni nel nucleo determina il numero atomico dell'elemento in sistema periodico DI. Mendeleev.

Un protone è una particella carica positivamente. La sua carica è modulo carica elementare, cioè la carica dell'elettrone. La carica di un protone è spesso indicata come , quindi possiamo scrivere che:

Attualmente si ritiene che il protone non sia una particella elementare. Ha una struttura complessa e consiste di due u-quark e un d-quark. La carica elettrica del quark u -() è positiva ed è uguale a

La carica elettrica del d - quark() è negativa e uguale a:

I quark legano lo scambio dei gluoni, che sono quanti di campo, portano l'interazione forte. Il fatto che i protoni abbiano diversi centri di dispersione puntiforme nella loro struttura è confermato da esperimenti sulla dispersione degli elettroni da parte dei protoni.

Il protone ha una dimensione finita, di cui gli scienziati stanno ancora discutendo. Attualmente, il protone è rappresentato come una nuvola con un bordo sfocato. Tale confine consiste in particelle virtuali che emergono e si annientano costantemente. Ma nella maggior parte compiti semplici il protone, ovviamente, può essere considerato una carica puntiforme. La massa a riposo di un protone () è approssimativamente uguale a:

La massa di un protone è 1836 volte maggiore della massa di un elettrone.

I protoni prendono parte a tutto interazioni fondamentali: interazioni forti uniscono protoni e neutroni in nuclei, elettroni e protoni con l'aiuto di interazioni elettromagnetiche si uniscono in atomi. Possiamo citare, ad esempio, il decadimento beta di un neutrone (n) come un'interazione debole:

dove p è un protone; - elettrone; - antineutrino.

Il decadimento del protone non è stato ancora ottenuto. Questo è uno degli importanti compiti moderni fisica, poiché questa scoperta rappresenterebbe un passo significativo nella comprensione dell'unità delle forze della natura.

Esempi di problem solving

ESEMPIO 1

Esercizio	I nuclei dell'atomo di sodio sono bombardati da protoni. Qual è la forza di repulsione elettrostatica di un protone dal nucleo di un atomo se il protone è a distanza m. Considera che la carica del nucleo dell'atomo di sodio è 11 volte maggiore della carica del protone. L'influenza del guscio elettronico dell'atomo di sodio può essere ignorata.
Soluzione	Prenderemo la legge di Coulomb come base per risolvere il problema, che può essere scritto per il nostro problema (supponendo che le particelle siano particelle puntiformi) come segue: dove F è la forza interazione elettrostatica particelle cariche; Cl è la carica protonica; - la carica del nucleo dell'atomo di sodio; - permettività del vuoto; è la costante elettrica. Utilizzando i dati che abbiamo, possiamo calcolare la forza repulsiva desiderata:
Risposta	H

ESEMPIO 2

Esercizio

Considerando il modello più semplice atomo di idrogeno, considera che l'elettrone si muove in un'orbita circolare attorno al protone (il nucleo dell'atomo di idrogeno). Qual è la velocità dell'elettrone se il raggio della sua orbita è m?

Soluzione

Considera le forze (Fig. 1) che agiscono su un elettrone che si muove in un cerchio. Questa è la forza di attrazione dal lato del protone. Secondo la legge di Coulomb, scriviamo che il suo valore è uguale a (): dove = è la carica dell'elettrone; - carica protonica; è la costante elettrica. La forza di attrazione tra un elettrone e un protone in qualsiasi punto dell'orbita dell'elettrone è diretta dall'elettrone al protone lungo il raggio del cerchio.

In questo articolo troverai informazioni sul protone come particella elementare che sta alla base dell'universo insieme ai suoi altri elementi utilizzati in chimica e fisica. Verranno determinate le proprietà del protone, le sue caratteristiche chimiche e di stabilità.

Cos'è un protone

Il protone è uno dei rappresentanti delle particelle elementari, a cui si fa riferimento come barioni, ad es. in cui i fermioni interagiscono fortemente e la particella stessa è composta da 3 quark. Il protone è una particella stabile e ha una quantità di moto personale - spin ½. La designazione fisica del protone è p(o p +)

Il protone è una particella elementare che partecipa ai processi termonucleari. È questo tipo di reazione che è essenzialmente la principale fonte di energia generata dalle stelle in tutto l'universo. Quasi l'intera quantità di energia rilasciata dal Sole esiste solo a causa della combinazione di 4 protoni in un nucleo di elio con la formazione di un neutrone da due protoni.

Proprietà inerenti al protone

Il protone è uno dei barioni. È un fatto. La carica e la massa del protone sono costanti. Elettricamente, il protone ha carica +1 e la sua massa è determinata in varie unità di misura ed è 938.272 0813(58) in MeV, in chilogrammi del protone il peso è 1.672 621 898(21) 10 −27 kg, in unità delle masse atomiche il peso del protone è 1.007 276 466 879(91) a. m., e in relazione alla massa dell'elettrone, il protone pesa 1836.152 673 89 (17) rispetto all'elettrone.

Il protone, la cui definizione è già stata data sopra, dal punto di vista della fisica, è una particella elementare con una proiezione isospin di +½, e la fisica nucleare percepisce questa particella con il segno opposto. Il protone stesso è un nucleone e consiste di 3 quark (due quark u e un quark d).

La struttura del protone è stata studiata sperimentalmente da un fisico nucleare degli Stati Uniti d'America - Robert Hofstadter. Per raggiungere questo obiettivo, il fisico ha fatto scontrare protoni con elettroni ad alta energia ed è stato premiato per la descrizione premio Nobel nel campo della fisica.

La composizione del protone comprende un nucleo (nucleo pesante), che contiene circa il trentacinque percento dell'energia della carica elettrica del protone e ha una densità piuttosto elevata. Il guscio che circonda il nucleo è relativamente rarefatto. Il guscio è costituito principalmente da mesoni virtuali di tipo ep e trasporta circa il cinquanta per cento del potenziale elettrico del protone e si trova ad una distanza pari a circa da 0,25*10 13 a 1,4*10 13. Inoltre, a una distanza di circa 2,5*10 13 centimetri, il guscio è costituito da w mesoni virtuali e contiene circa il restante quindici per cento della carica elettrica del protone.

Stabilità e stabilità del protone

Allo stato libero, il protone non mostra alcun segno di decadimento, il che indica la sua stabilità. Lo stato stabile del protone, in quanto rappresentante più leggero dei barioni, è determinato dalla legge di conservazione del numero dei barioni. Senza violare la legge SBC, i protoni sono in grado di decadere in neutrini, positroni e altre particelle elementari più leggere.

Il protone del nucleo degli atomi ha la capacità di catturare alcuni tipi di elettroni che hanno gusci atomici K, L, M. Il protone, dopo aver completato la cattura degli elettroni, passa in un neutrone e di conseguenza rilascia un neutrino, e il "buco" formato a seguito della cattura degli elettroni viene riempito da elettroni provenienti da sopra gli strati atomici sottostanti.

Nei sistemi di riferimento non inerziali, i protoni devono acquisire una vita limitata calcolabile, ciò è dovuto all'effetto Unruh (radiazione), che nella teoria quantistica dei campi prevede la possibile contemplazione della radiazione termica in un sistema di riferimento accelerato in assenza di questo tipo di radiazioni. Pertanto, in presenza di un tempo finito della sua esistenza, un protone può subire un decadimento beta in un positrone, neutrone o neutrino, nonostante il processo di tale decadimento stesso sia proibito dall'ESE.

Uso dei protoni in chimica

Un protone è un atomo di H costruito da un singolo protone e non ha un elettrone, quindi in senso chimico, un protone è un nucleo di un atomo di H. Un neutrone accoppiato con un protone crea il nucleo di un atomo. Nel PTCE di Dmitri Ivanovich Mendeleev, il numero dell'elemento indica il numero di protoni nell'atomo di un particolare elemento e il numero dell'elemento è determinato dalla carica atomica.

I cationi idrogeno sono accettori di elettroni molto forti. In chimica, i protoni sono ottenuti principalmente da acidi di natura organica e minerale. La ionizzazione è un modo per produrre protoni in fasi gassose.

Studiando la struttura della materia, i fisici hanno appreso di cosa sono fatti gli atomi, sono arrivati ​​al nucleo atomico e lo hanno suddiviso in protoni e neutroni. Tutti questi passaggi sono stati eseguiti abbastanza facilmente: era solo necessario disperdere le particelle la giusta energia, spingerli l'uno contro l'altro e poi si sfaldano nelle loro parti componenti.

Ma con protoni e neutroni, questo trucco non ha funzionato. Sebbene siano particelle composite, non possono essere "spezzate" in nessuna delle collisioni più violente. Pertanto, i fisici hanno impiegato decenni per trovare modi diversi di guardare all'interno del protone, per vederne la struttura e la forma. Oggi lo studio della struttura del protone è una delle aree più attive della fisica delle particelle elementari.

La natura dà suggerimenti

La storia dello studio della struttura di protoni e neutroni risale agli anni '30. Quando, oltre ai protoni, furono scoperti i neutroni (1932), misurandone la massa, i fisici furono sorpresi di scoprire che essa è molto vicina alla massa di un protone. Inoltre, si è scoperto che protoni e neutroni "sentono" l'interazione nucleare esattamente nello stesso modo. Tanto lo stesso che, dal punto di vista delle forze nucleari, il protone e il neutrone possono essere considerati come due manifestazioni della stessa particella: il nucleone: il protone è un nucleone elettricamente carico e il neutrone è un nucleone neutro. Scambiare protoni con neutroni e forze nucleari (quasi) non noterà nulla.

I fisici esprimono questa proprietà della natura come simmetria: l'interazione nucleare è simmetrica rispetto alla sostituzione di protoni con neutroni, proprio come una farfalla è simmetrica rispetto alla sostituzione di sinistra con destra. Questa simmetria, oltre a svolgere un ruolo importante nella fisica nucleare, è stata in realtà il primo indizio che i nucleoni hanno un'interessante struttura interna. È vero, quindi, negli anni '30, i fisici non si resero conto di questo suggerimento.

La comprensione è arrivata dopo. È iniziato con il fatto che negli anni '40 e '50, nelle reazioni delle collisioni di protoni con i nuclei di vari elementi, gli scienziati furono sorpresi di scoprire sempre più nuove particelle. Non i protoni, non i neutroni, i mesoni pi non scoperti da allora, che mantengono i nucleoni nei nuclei, ma alcune particelle completamente nuove. Nonostante tutta la loro diversità, queste nuove particelle avevano due proprietà comuni. In primo luogo, loro, come i nucleoni, hanno partecipato molto volentieri alle interazioni nucleari - ora tali particelle sono chiamate adroni. E in secondo luogo, erano estremamente instabili. La più instabile decadde in altre particelle in appena un trilionesimo di nanosecondo, senza nemmeno avere il tempo di volare delle dimensioni di un nucleo atomico!

Per molto tempo, lo "zoo" degli adroni è stato un completo miscuglio. Alla fine degli anni '50, i fisici riconoscevano già molti tipi diversi di adroni, iniziarono a confrontarli tra loro e improvvisamente videro una certa simmetria generale, persino periodicità delle loro proprietà. È stato ipotizzato che all'interno di tutti gli adroni (inclusi i nucleoni) siano presenti degli oggetti semplici, che vengono chiamati "quark". Combinazione di quark diversi modi, è possibile ottenere diversi adroni, inoltre, di questo tipo e con tali proprietà che sono state trovate nell'esperimento.

Cosa rende un protone un protone?

Dopo che i fisici hanno scoperto la struttura dei quark degli adroni e hanno appreso che i quark sono disponibili in diverse varietà, è diventato chiaro che molte particelle diverse potevano essere costruite dai quark. Quindi nessuno fu sorpreso quando gli esperimenti successivi continuarono a trovare nuovi adroni uno dopo l'altro. Ma tra tutti gli adroni è stata trovata un'intera famiglia di particelle, composta, proprio come il protone, da due sole tu-quark e uno d-quark. Una sorta di "fratelli" del protone. E qui i fisici hanno avuto una sorpresa.

Facciamo prima una semplice osservazione. Se abbiamo più oggetti costituiti dagli stessi "mattoni", gli oggetti più pesanti contengono più "mattoni" e quelli più leggeri - meno. Questo è un principio molto naturale, che può essere chiamato il principio di combinazione o il principio di sovrastruttura, ed è perfettamente eseguito come in Vita di ogni giorno, così come in fisica. Viene visualizzato anche nel dispositivo nuclei atomici- dopotutto, i nuclei più pesanti sono semplicemente costituiti da più protoni e neutroni.

Tuttavia, a livello di quark, questo principio non funziona affatto e, è vero, i fisici non hanno ancora completamente capito perché. Si scopre che anche i fratelli pesanti del protone sono costituiti dagli stessi quark del protone, sebbene siano una volta e mezzo o anche due volte più pesanti del protone. Differiscono dal protone (e differiscono l'uno dall'altro) no composizione, ma reciproco Posizione quark, dallo stato in cui questi quark sono l'uno rispetto all'altro. È sufficiente cambiare la posizione reciproca dei quark e otterremo un'altra particella, notevolmente più pesante, dal protone.

Ma cosa succede se prendi e raccogli ancora più di tre quark? Si otterrà una nuova particella pesante? Sorprendentemente, non funzionerà: i quark si romperanno in tre e si trasformeranno in diverse particelle disparate. Per qualche ragione, alla natura "non piace" combinare molti quark in uno solo! Solo molto recentemente, letteralmente dentro l'anno scorso, cominciarono ad apparire indizi che alcune particelle multiquark esistono, ma questo sottolinea solo quanto alla natura non piacciano.

Da questo calcolo combinatorio segue una conclusione molto importante e profonda: la massa degli adroni non è affatto costituita dalla massa dei quark. Ma se la massa di un adrone può essere aumentata o diminuita semplicemente ricombinando i suoi elementi costitutivi, allora i quark stessi non sono affatto responsabili della massa degli adroni. In effetti, in esperimenti successivi, è stato possibile scoprire che la massa dei quark stessi è solo circa il due percento della massa del protone e il resto della gravità deriva dal campo di forza (particelle speciali - gluoni) che lega insieme i quark. Modificando la disposizione reciproca dei quark, ad esempio allontanandoli l'uno dall'altro, cambiamo così la nuvola di gluoni, la rendiamo più massiccia, motivo per cui la massa dell'adrone aumenta (Fig. 1).

Cosa sta succedendo all'interno di un protone che vola veloce?

Tutto quanto sopra descritto riguarda un protone immobile, nel linguaggio dei fisici, questa è la struttura di un protone nella sua cornice di riposo. Tuttavia, nell'esperimento, la struttura del protone è stata scoperta per la prima volta in altre condizioni: all'interno volo veloce protone.

Alla fine degli anni '60, in esperimenti di collisione di particelle con acceleratori, è stato notato che i protoni che volavano a velocità prossima a quella della luce si comportavano come se l'energia al loro interno non fosse distribuita in modo uniforme, ma concentrata in oggetti compatti separati. Il famoso fisico Richard Feynman propose di chiamare questi grumi di materia all'interno dei protoni partoni(dall'inglese parte- parte).

Negli esperimenti successivi sono state studiate molte proprietà dei parton, ad esempio il loro carica elettrica, il loro numero e la frazione di energia protonica che ciascuno di essi trasporta. Si scopre che i partoni carichi sono quark e i partoni neutri sono gluoni. Sì, sì, gli stessi gluoni, che nel frame di riposo del protone semplicemente "servivano" i quark, attirandoli l'uno con l'altro, ora sono partoni indipendenti e, insieme ai quark, trasportano la "materia" e l'energia di un rapido protone volante. Gli esperimenti hanno dimostrato che circa la metà dell'energia è immagazzinata nei quark e metà nei gluoni.

I partoni sono studiati in modo più conveniente nella collisione di protoni con elettroni. Il fatto è che, a differenza di un protone, un elettrone non partecipa alle interazioni nucleari forti e la sua collisione con un protone sembra molto semplice: l'elettrone emette per brevissimo tempo un fotone virtuale, che si schianta contro un partone carico e alla fine genera gran numero particelle (Fig. 2). Possiamo dire che l'elettrone è un ottimo bisturi per "aprire" il protone e dividerlo in parti separate, ma solo per un tempo molto breve. Sapendo con quale frequenza si verificano tali processi all'acceleratore, è possibile misurare il numero di partoni all'interno del protone e le loro cariche.

Chi sono i veri parton?

E qui arriviamo a un'altra sorprendente scoperta che i fisici hanno fatto studiando le collisioni di particelle elementari ad alte energie.

In condizioni normali, la domanda su cosa consista questo o quell'oggetto ha una risposta universale per tutti i quadri di riferimento. Ad esempio, una molecola d'acqua è composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno - e non importa se stiamo guardando una molecola stazionaria o in movimento. Tuttavia, questa regola - sembrerebbe così naturale! - violato se noi stiamo parlando sulle particelle elementari che si muovono a velocità prossime a quella della luce. In un sistema di riferimento, una particella complessa può essere costituita da un insieme di sottoparticelle e, in un altro sistema di riferimento, da un altro. Si scopre che la composizione è un concetto relativo!

Come può essere? La chiave qui è una proprietà importante: il numero di particelle nel nostro mondo non è fisso - le particelle possono nascere e scomparire. Ad esempio, se due elettroni con un'energia sufficientemente elevata vengono spinti insieme, oltre a questi due elettroni, possono nascere un fotone o una coppia elettrone-positrone o alcune altre particelle. Tutto questo è consentito dalle leggi quantistiche, ed è esattamente ciò che accade negli esperimenti reali.

Ma questa "legge di non conservazione" delle particelle funziona nelle collisioni particelle. Ma come è possibile che lo stesso protone da diversi punti di vista sembri costituito da un diverso insieme di particelle? Il fatto è che un protone non è solo tre quark messi insieme. C'è un campo di forza di gluoni tra i quark. In generale, un campo di forza (come, ad esempio, un campo gravitazionale o elettrico) è una sorta di "entità" materiale che permea lo spazio e consente alle particelle di esercitare una forza l'una sull'altra. Nella teoria quantistica, il campo è costituito anche da particelle, sebbene speciali, virtuali. Il numero di queste particelle non è fisso, sono costantemente "germogliate" dai quark e vengono assorbite da altri quark.

riposo Il protone può infatti essere pensato come tre quark, tra i quali saltano i gluoni. Ma se osserviamo lo stesso protone da un diverso quadro di riferimento, come dal finestrino di un "treno relativistico" che passa, vedremo un'immagine completamente diversa. Quei gluoni virtuali che hanno incollato insieme i quark sembreranno particelle meno virtuali, "più reali". Naturalmente, sono ancora nati e assorbiti dai quark, ma allo stesso tempo vivono da soli per qualche tempo, volando accanto ai quark, come vere particelle. Quello che sembra un semplice campo di forza in un quadro di riferimento si trasforma in un flusso di particelle in un altro quadro! Nota che non tocchiamo il protone stesso, ma lo guardiamo solo da un diverso quadro di riferimento.

Inoltre. Più la velocità del nostro "treno relativistico" è vicina alla velocità della luce, più l'immagine all'interno del protone sarà sorprendente che vedremo. Avvicinandoci alla velocità della luce, noteremo che ci sono sempre più gluoni all'interno del protone. Inoltre, a volte si dividono in coppie quark-antiquark, che volano anche fianco a fianco e sono anche considerate parton. Di conseguenza, un protone ultrarelativistico, cioè un protone che si muove rispetto a noi a una velocità molto vicina a quella della luce, appare come nubi di quark, antiquark e gluoni che si penetrano reciprocamente, che volano insieme e sembrano sostenersi a vicenda (Fig. 3).

Il lettore che ha familiarità con la teoria della relatività potrebbe essere preoccupato. Tutta la fisica si basa sul principio che ogni processo procede allo stesso modo in tutti sistemi inerziali riferimento. E qui si scopre che la composizione del protone dipende dal sistema di riferimento da cui lo osserviamo?!

Sì, è vero, ma non viola in alcun modo il principio di relatività. I risultati dei processi fisici - per esempio, quali particelle e quante ne nascono a seguito di una collisione - risultano essere invarianti, sebbene la composizione del protone dipenda dal sistema di riferimento.

Questa situazione, insolita a prima vista, ma che soddisfa tutte le leggi della fisica, è schematicamente illustrata nella Figura 4. Mostra come appare la collisione di due protoni ad alta energia in sistemi diversi riferimento: nel frame di riposo di un protone, nel frame del centro di massa, nel frame di riposo di un altro protone. L'interazione tra protoni avviene attraverso una cascata di gluoni scissione, ma solo in un caso questa cascata è considerata l'"interno" di un protone, nell'altro caso fa parte di un altro protone, e nel terzo caso è solo un oggetto scambiato tra due protoni. Questa cascata esiste, è reale, ma a quale parte del processo dovrebbe essere attribuita dipende dal quadro di riferimento.

Ritratto 3D di un protone

Tutti i risultati che abbiamo appena descritto erano basati su esperimenti eseguiti molto tempo fa, negli anni '60 e '70 del secolo scorso. Sembrerebbe che da allora tutto dovrebbe già essere studiato e tutte le domande dovrebbero trovare una risposta. Ma no - il dispositivo protonico è ancora uno dei più argomenti interessanti nella fisica delle particelle elementari. Inoltre, negli ultimi anni, l'interesse per esso è aumentato di nuovo, perché i fisici hanno capito come ottenere un ritratto "tridimensionale" di un protone in rapido movimento, che si è rivelato molto più complicato di un ritratto di un protone stazionario.

Gli esperimenti classici di collisione di protoni parlano solo del numero di partoni e della loro distribuzione di energia. In tali esperimenti, i parton partecipano come oggetti indipendenti, il che significa che è impossibile imparare da loro come si trovano i parton l'uno rispetto all'altro, come si sommano esattamente a un protone. Si può dire che per molto tempo i fisici avevano a disposizione solo un ritratto "unidimensionale" di un protone in rapido volo.

Per costruire un ritratto reale, tridimensionale, del protone e conoscere la distribuzione dei partoni nello spazio, sono necessari esperimenti molto più sottili di quelli che erano possibili 40 anni fa. I fisici hanno imparato a eseguire tali esperimenti abbastanza di recente, letteralmente nell'ultimo decennio. Si sono resi conto che tra l'enorme numero di reazioni diverse che si verificano quando un elettrone si scontra con un protone, c'è una reazione speciale: dispersione virtuale profonda di Compton, - che potrà raccontare la struttura tridimensionale del protone.

In generale, lo scattering Compton, o l'effetto Compton, è la collisione elastica di un fotone con una particella, come un protone. Si presenta così: un fotone arriva, viene assorbito da un protone, che passa brevemente in uno stato eccitato, e poi ritorna al suo stato originale, emettendo un fotone in una certa direzione.

La diffusione Compton dei normali fotoni di luce non porta a nulla di interessante: è un semplice riflesso della luce da un protone. Per "entrare in gioco" nella struttura interna del protone e "sentire" la distribuzione dei quark, è necessario utilizzare fotoni di energia molto elevata, miliardi di volte in più rispetto alla luce ordinaria. E proprio questi fotoni - tuttavia, virtuali - sono facilmente generati da un elettrone incidente. Se ora combiniamo l'uno con l'altro, otteniamo uno scattering Compton virtuale profondo (Fig. 5).

La caratteristica principale di questa reazione è che non distrugge il protone. Il fotone incidente non colpisce solo il protone, ma, per così dire, lo sente attentamente e poi vola via. La direzione in cui vola via e quale parte dell'energia gli sottrae il protone dipende dalla struttura del protone, dalla posizione relativa dei partoni al suo interno. Ecco perché, studiando questo processo, è possibile ripristinare l'aspetto tridimensionale del protone, come per "formarne la scultura".

È vero, è molto difficile per un fisico sperimentale fare questo. Il processo desiderato si verifica abbastanza raramente ed è difficile registrarlo. I primi dati sperimentali su questa reazione sono stati ottenuti solo nel 2001 presso l'acceleratore HERA nel complesso di acceleratori tedeschi DESY ad Amburgo; la nuova serie di dati è ora in fase di elaborazione da parte degli sperimentatori. Tuttavia, già oggi, sulla base dei primi dati, i teorici disegnano distribuzioni tridimensionali di quark e gluoni nel protone. Quantità fisica, su cui i fisici erano soliti costruire solo ipotesi, finalmente iniziò a "apparire" dall'esperimento.

Ci sono scoperte inaspettate in questo settore? È probabile che si. A titolo illustrativo, diciamo che nel novembre 2008 è apparso un interessante articolo teorico, in cui si afferma che un protone che vola veloce non dovrebbe assomigliare a un disco piatto, ma a una lente biconcava. Ciò accade perché i partoni che si trovano nella regione centrale del protone sono più compressi in direzione longitudinale rispetto ai partoni che si trovano sui bordi. Sarebbe molto interessante testare sperimentalmente queste previsioni teoriche!

Perché tutto questo è interessante per i fisici?

Perché i fisici devono sapere esattamente come è distribuita la materia all'interno di protoni e neutroni?

In primo luogo, ciò è richiesto dalla logica stessa dello sviluppo della fisica. Ci sono molti sistemi incredibilmente complessi nel mondo che la fisica teorica moderna non è ancora in grado di affrontare completamente. Gli adroni sono uno di questi sistemi. Comprendendo la struttura degli adroni, perfezioniamo le capacità della fisica teorica, che potrebbe rivelarsi universale e, forse, aiutare in qualcosa di completamente diverso, ad esempio nello studio di superconduttori o altri materiali con proprietà insolite.

In secondo luogo, c'è un vantaggio immediato per la fisica nucleare. Nonostante quasi un secolo di storia nello studio dei nuclei atomici, i teorici non conoscono ancora la legge esatta dell'interazione di protoni e neutroni.

Devono in parte indovinare questa legge sulla base di dati sperimentali e in parte costruirla sulla base della conoscenza della struttura dei nucleoni. È qui che aiuteranno i nuovi dati sulla struttura tridimensionale dei nucleoni.

In terzo luogo, alcuni anni fa, i fisici sono riusciti a ottenere niente di meno che nuovo stato di aggregazione materia - plasma di quark-gluoni. In questo stato, i quark non si trovano all'interno di singoli protoni e neutroni, ma camminano liberamente intorno all'intero gruppo di materia nucleare. Può essere ottenuto, ad esempio, come segue: i nuclei pesanti vengono accelerati nell'acceleratore a una velocità molto vicina a quella della luce, quindi si scontrano frontalmente. In questa collisione, per brevissimo tempo, si forma una temperatura di trilioni di gradi, che fonde i nuclei in un plasma di quark-gluoni. Si scopre quindi che i calcoli teorici di questa fusione nucleare richiedono una buona conoscenza della struttura tridimensionale dei nucleoni.

Infine, questi dati sono molto necessari per l'astrofisica. Quando le stelle pesanti esplodono alla fine della loro vita, spesso lasciano oggetti estremamente compatti: stelle di neutroni e possibilmente di quark. Il nucleo di queste stelle è costituito interamente da neutroni e forse anche da plasma freddo di quark e gluoni. Tali stelle sono state scoperte da tempo, ma ciò che accade al loro interno può essere solo intuito. Quindi una buona comprensione delle distribuzioni dei quark può portare a progressi anche in astrofisica.

Una volta si credeva che la più piccola unità strutturale di qualsiasi sostanza fosse una molecola. Poi, con l'invenzione di microscopi più potenti, l'umanità è stata sorpresa di scoprire il concetto di atomo - una particella composita di molecole. Sembrerebbe, molto meno? Nel frattempo, anche più tardi si è scoperto che l'atomo, a sua volta, è costituito da elementi più piccoli.

All'inizio del 20° secolo, un fisico britannico scoprì la presenza di nuclei nell'atomo - le strutture centrali, fu questo momento che segnò l'inizio di una serie di infinite scoperte riguardanti la struttura del più piccolo elemento strutturale sostanze.

Oggi, sulla base del modello nucleare e grazie a numerosi studi, è noto che l'atomo è costituito da un nucleo, che è circondato da nuvola elettronica. Questa "nuvola" contiene elettroni, o particelle elementari con carica negativa. La composizione del nucleo, al contrario, comprende particelle con elettricamente Carica positiva, di nome protoni. Il fisico britannico già citato sopra ha potuto osservare e successivamente descrivere questo fenomeno. Nel 1919 condusse un esperimento in cui le particelle alfa eliminarono i nuclei di idrogeno dai nuclei di altri elementi. Così, è riuscito a scoprire e dimostrare che i protoni non sono altro che un nucleo senza un singolo elettrone. Nella fisica moderna, i protoni sono indicati dal simbolo p o p+ (che sta per carica positiva).

Protone in greco significa "prima, principale" - una particella elementare appartenente alla classe barioni quelli. relativamente pesante È una struttura stabile, la sua durata è superiore a 2,9 x 10(29) anni.

A rigor di termini, oltre al protone, contiene anche neutroni, che, in base al nome, sono a carica neutra. Entrambi questi elementi sono chiamati nucleoni.

La massa del protone, a causa di circostanze abbastanza ovvie, non ha potuto essere misurata per molto tempo. Ora si sa che lo è

mp=1.67262∙10-27 kg.

Ecco come appare la massa a riposo del protone.

Passiamo alla considerazione delle comprensioni della massa di un protone, specifiche per diverse aree della fisica.

La massa di una particella nell'ambito della fisica nucleare assume spesso una forma diversa, la sua unità di misura è a.m.u.

A.u.m. - unità atomica masse. L'una è uguale a 1/12 della massa di un atomo di carbonio, il cui numero di massa è 12. Quindi, 1 unità di massa atomica è uguale a 1,66057 10-27 kg.

La massa di un protone, quindi, si presenta così:

mp = 1.007276 u.a. mangiare.

C'è un altro modo per esprimere la massa di questa particella carica positivamente usando unità diverse. Per fare ciò, dobbiamo prima accettare come assioma l'equivalenza di massa ed energia E=mc2. Dove c - e m - peso corporeo.

La massa del protone in questo caso sarà misurata in megaelettronvolt o MeV. Tale unità di misura è utilizzata esclusivamente nella fisica nucleare e atomica e serve a misurare l'energia necessaria per trasferire una particella tra due punti in C a condizione che la differenza di potenziale tra questi punti sia 1 Volt.

Quindi, dato che l'una di notte = 931.494829533852 MeV, la massa del protone è approssimativamente

Tale conclusione è stata ottenuta sulla base di misurazioni spettroscopiche di massa, ed è la massa nella forma in cui è data sopra che è anche comunemente chiamata e l'energia a riposo del protone.

Pertanto, concentrandosi sulle esigenze dell'esperimento, la massa della particella più piccola può essere espressa in tre valori diversi, in tre diverse unità.

Inoltre, la massa di un protone può essere espressa rispetto alla massa di un elettrone, che è noto per essere molto più "pesante" di una particella carica positivamente. In questo caso, la massa sarà uguale al calcolo approssimativo e agli errori significativi 1836.152 672 relativi alla massa dell'elettrone.