Протон — частица ядра атома¶

Протон — стабильная элементарная частица, составляющая ядро атома наряду с нейтронами; относится к классу барионов, обладает положительным электрическим зарядом и массой, примерно в 1836 раза превышающей массу электрона. Протоны вместе с нейтронами образуют атомные ядра, а их число в ядре (порядковый номер элемента) определяет химические свойства атома. Символ протона — p, заряд составляет +1,602×10⁻¹⁹ Кл, собственная масса равна 1,6726×10⁻²⁷ кг (938,272 МэВ/c²).

¶История открытия

Протон был открыт в 1919 году британским физиком Эрнестом Резерфордом, который проводил опыты по бомбардировке азота альфа-частицами и обнаружил образование ядер водорода. Резерфорд предложил считать ядро водорода элементарной частицей и назвал его протоном (от греч. πρῶτον — «первый»). В 1917 году он же ввёл само понятие «протон» в научный оборот.

В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон — незаряженную частицу ядра, после чего стало ясно, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. В том же году Уильям Хайтлер и Герман Вайль показали, что протон обладает моментом инерции (спином) 1/2 и магнитным моментом.

¶Строение протона

Протон, как и нейтрон, не является элементарной частицей в современном понимании: он состоит из трёх кварков — двух верхних (u) и одного нижнего (d), связанных сильным взаимодействием посредством обмена глюонами. Кварковая структура протона была экспериментально подтверждена в конце 1960-х годов на линейных ускорителях Стэнфордского университета (SLAC).

Заряд протона складывается из зарядов кварков: верхний кварк имеет заряд +2/3, нижний — −1/3, суммарно 2/3 + 2/3 − 1/3 = +1. Большая часть массы протона (около 99 %) обусловлена не массой кварков, а энергией сильного взаимодействия между ними, что согласуется с соотношением E = mc².

¶Роль в атоме

Число протонов в ядре атома (атомный номер Z) определяет, к какому химическому элементу относится атом: атом водорода содержит один протон, гелия — два, углерода — шесть, урана — 92. Атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов образуют изотопы одного элемента.

В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра. При ионизации атом может терять или приобретать электроны, образуя положительные или отрицательные ионы.

¶Стабильность и распад

Свободный протон наблюдательно стабилен: время его жизни превышает 10³⁴ лет (теоретически предсказывается распад протона с периодом не менее 10³⁴ лет, но экспериментально он не зарегистрирован). Это делает протон одной из самых долгоживущих частиц.

В некоторых моделях Grand Unified Theories (теории объединения взаимодействий) предсказывается распад протона, например в позитрон и нейтральный пин-мезон. Эксперименты по регистрации распада протона проводятся в подземных детекторах (Super-Kamiokande в Японии, INO в Индии), но пока безуспешно.

¶Протон в ядерной физике и технологиях

Протоны используются в ускорителях частиц для изучения строения материи. На Большом адронном коллайдере (ЦЕРН, Швейцария) сталкиваются пучки протонов с энергией до 6,5 ТэВ, что позволило в 2012 году открыть бозон Хиггса.

Протонная терапия — метод лечения онкологических заболеваний, основанный на использовании пучков протонов высокой энергии для точечного разрушения опухолей. Метод применяется в клиниках России, в том числе в Центре протонной терапии в Дубне и в НИЦ физики им. А. Ф. Иоффе.

¶Протон и нейтрон

Нейтрон в свободном состоянии нестабилен: среднее время жизни составляет около 880 секунд (примерно 15 минут), после чего он распадается на протон, электрон и антинейтрино. В ядре нейтроны стабильны.

¶Интересные факты

• Протон в 1836 раз тяжелее электрона, но в 1839 раз легче атома водорода (разница обусловлена энергией связи электрона с ядром).
• Протон — самая лёгкая частица с положительным зарядом, стабильная в природе.
• В 2010 году физики из ЦЕРН впервые создали антивещество из антипротонов и электронов — антиводород.

¶Источники

• Резерфорд Э. Новая система элементарных частиц // Успехи физических наук. — 1920.
• Чедвик Дж. Возможное существование нейтрона // Nature. — 1932.
• Грин Д. А кваркная структура протона. — М.: Мир, 1985.
• Балин Д. В. Кварки и лептоны. — М.: Издательство МГУ, 2000.
• Particle Data Group. Review of Particle Physics // Physical Review D. — 2022.