Протон

Определение "Протон" в Большой Советской Энциклопедии

Протон (от греч. protos - первый; символ р), стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Протон имеет массу mp = (1,6726485 ± 0,0000086)×10^-24 г (mp » 1836 me » 938,3 Мэв/с² где me - масса электрона, с - скорость света) и положительный электрический заряд е = (4,803242 ± 0,000014) ×10-¹⁰ единиц заряда в системе СГС. Спин Протон равен ¹/₂ (в единицах Планка постоянной ), и как частица с полуцелым спином Протон подчиняется Ферми - Дирака статистике (является фермионом). Магнитный момент Протон равен m_р = (2,7928456 ± 0,0000011) m_я, где m_я - ядерный магнетон. Вместе с нейтронами Протон образуют ядра атомные всех химических элементов, при этом число Протон в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодической системе элементов. Свободные Протон составляют основную часть первичной компоненты космических лучей. Существует античастица по отношению к Протон - антипротон.

  Представление о Протон возникло в 1910-х гг. в виде гипотезы о том, что все ядра составлены из ядер атома водорода. В 1919-20 Э. Резерфорд экспериментально наблюдал ядра водорода, выбитые a-частицами из ядер др. элементов; он же в начале 20-х гг. ввёл термин «Протон». Трудность, заключающаяся в том, что атомные номера элементов меньше их атомных масс, была окончательно устранена лишь в 1932 открытием нейтрона.

Протон является сильно взаимодействующей частицей (адроном) и относится к «тяжёлым» адронам - барионам; барионный заряд Протон В = + 1. Закон сохранения барионного заряда объясняет стабильность Протон - самого лёгкого из барионов. Протон участвуют также во всех других видах фундаментальных взаимодействий элементарных частиц - электромагнитном, слабом и гравитационном.

В сильном взаимодействии Протон и нейтрон имеют совершенно одинаковые свойства и поэтому рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона. Возможность объединения адронов в такого рода семейства частиц с общими свойствами - изотонические мультиплеты (см. Изотопическая инвариантность) - учитывается введением квантового числа «изотопический спин»; изотопический спин нуклона I = ¹/₂. Важнейшим примером сильного взаимодействия с участием Протон являются ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре. Экспериментальное исследование сильного взаимодействия в большой мере основано на опытах по рассеянию Протон и мезонов на Протон, в которых были открыты, в частности, новые сильно взаимодействующие частицы - антипротон, гипероны, резонансы. Теоретическое объяснение свойств Протон затруднено отсутствием удовлетворительной теории сильного взаимодействия. Общий подход, который даёт лишь качественное объяснение, состоит в предположении, что Протон окружен «облаком» виртуальных частиц, которые он непрерывно испускает и поглощает. Сильное взаимодействие Протон с др. частицами рассматривается как процесс обмена виртуальными адронами (см. Сильные взаимодействия, Множественные процессы).

  Электромагнитные свойства Протон неразрывно связаны с его участием в более интенсивном сильном взаимодействии. Примером такой связи является фоторождение мезонов, которое можно рассматривать как выбивание мезонов из облака виртуальных адронов, окружающих Протон, g-квантом с энергией порядка 150 Мэв и более. Взаимодействием Протон с виртуальными p+-мезонами качественно объясняется большое отличие магнитного момента Протон от ядерного магнетона (которому он должен быть равен, если ограничиться только квантовомеханическим описанием на основе Дирака уравнения). В 1950-х гг. в опытах по рассеянию на Протон электронов и g-квантов Р. Хофштадтером и др. (США) было обнаружено пространственное распределение электрического заряда и магнитного момента Протон, что свидетельствует о наличии внутренней структуры Протон Влияние «размазывания» заряда и магнитного момента на взаимодействие Протон с электронами учитывается обычно введением электрического и магнитного формфакторов - множителей, квадраты которых характеризуют уменьшение сечения рассеяния на реальном, физическом Протон по сравнению с рассеянием на точечной частице (т. е. на частице с точечным зарядом е и точечным магнитным моментом m_р). Полученные данные по неупругому рассеянию электронов с энергией до 21 Гэв на Протон, по-видимому, означают, что в Протон существуют точечноподобные рассеивающие центры (т. н. партоны).

Примерами слабого взаимодействия с участием Протон являются внутриядерные превращения Протон в нейтрон и наоборот (бета-распад ядер и К-захват). В 1953 наблюдался процесс, обратный (b-распаду, - образование нейтрона и позитрона при поглощении свободным Протон антинейтрино, что было первым прямым экспериментальным доказательством существования нейтрино.

  Ввиду стабильности Протон, наличия у него электрического заряда и относительной простоты получения Протон ионизацией водорода пучки ускоренных Протон являются одним из основных инструментов экспериментальной физики элементарных частиц. Очень часто и мишенью в опытах по соударению частиц также являются Протон - свободные (водород) или связанные в ядрах. Крупнейшие ускорители Протон - Серпуховский ускоритель на 76 Гэв (СССР) и ускоритель в Батавии на 400 Гэв (США). Максимальная эквивалентная энергия при столкновении Протон около 1500 Гэв достигнута в ускорителе со встречными протонными пучками (каждый с энергией 28 Гэв) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария). Ускоренные Протон используются не только для изучения рассеяния самих Протон, но также и для получения пучков др. частиц: p- и К-мезонов, антипротонов, мюонов. К 1973 получены обнадёживающие результаты по использованию пучков ускоренных Протон в медицине (в лучевой терапии).
 

  Лит.: Резерфорд Э., Избр. научные труды, книга 2 - Строение атома и искусственное превращение элементов, пер, с англ., М., 1972; Бейзер А., Основные представления современной физики, пер. с англ., М., 1970; Барчер В. Д., Клайн Д. Б., Рассеяние при высоких энергиях, в сборнике: Элементарные частицы, в. 9, М., 1973; Кендалл Г. В., Паневский В. К. Г., Структура протона и нейтрона, там же; Гольдин Л. Л. [и др.], Применение тяжёлых заряженных частиц высокой энергии в медицине, «Успехи физических наук», 1973, т. 110, в. 1, с. 77-99.
  Э. А. Тагиров.