Протон

Протон (элементарная частица) — Vladimir Gorunovich

Данная статья была написана Владимиром Горунович для сайта «Викизнание» еще до того как аналогичная статья на сайте Викизнание подверглась правке, исказившей действительность. Теперь я могу свободно писать правду только на своих сайтах, и еще тех сайтах, которые позволяют это сделать.

1 Протон (элементарная частица)

Протон — элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) — группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

ПротонОсновные квантовые числа (по полевой теории элементарных частиц)Дополнительные квантовые числаДругие свойства

Подгруппа протона (основные и возбужденные состояния)

2 Протон в физике

Протон — элементарная частица квантовое число L=3/2 (спин = 1/2) — группа барионов, подгруппа протона, электрический заряд +e (систематизация по полевой теории элементарных частиц).

Согласно полевой теории элементарных частиц (теории — построенной на научном фундаменте и единственной получившей правильный спектр всех элементарных частиц), протон состоит из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей.

Все голословные утверждения Стандартной модели о том, что протон якобы состоит из кварков, не имеют ничего общего с действительностью. — Физика экспериментально доказала, что протон обладает электромагнитными полями, и еще гравитационным полем.

О том, что элементарные частицы не просто обладают — а состоят из электромагнитных полей, физика гениально догадалась еще 100 лет назад, но вот построить теорию никак не удавалось до 2010 года.

Теперь в 2015 году появилась еще и теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и получившая уравнения гравитационного поля элементарных частиц, отличные от уравнений гравитации, на основании которых была построена не одна математическая сказка в физике.

Структура электромагнитного поля протона (E-постоянное электрическое поле ,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле)

Энергетический баланс (процент от всей внутренней энергии):

• постоянное электрическое поле (E) — 0,346%,
• постоянное магнитное поле (H) — 7,44%,
• переменное электромагнитное поле — 92,21%.

Соотношение между энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле протона и энергии сосредоточенной в постоянном электрическом поле равно 21,48. Этим объясняется наличие у протона ядерных сил. Структура протона приведена на рисунке.

Электрическое поле протона состоит из двух областей: внешней области с положительным зарядом и внутренней области с отрицательным зарядом. Разность зарядов внешней и внутренней областей определяет суммарный электрический заряд протона +e. В основе его квантования лежат геометрия и строение элементарных частиц.

А так выглядят фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, действительно существующие в природе:

Фундаментальные взаимодействия в природе, их (физические поля)

2.1 Радиус протона

Полевая теория элементарных частиц определяет радиус (r) частицы как расстояние от центра до точки в которой достигается максимум плотности массы.

Для протона это будет 3,4212 •10-16 м. К этому необходимо добавить еще толщину слоя электромагнитного поля, в результате получится:

что равно 4,5616 •10-16 м. Таким образом, внешняя граница протона находится от центра на расстоянии 4,5616 •10-16 м. Но необходимо помнить, что небольшая (порядка 1%) часть массы покоя, заключенная в постоянном электрическом и постоянном магнитном полях, в соответствии с классической электродинамикой, находится вне данного радиуса.

2.2 Магнитный момент протона

В противовес квантовой теории полевая теория элементарных частиц утверждает, что магнитные поля элементарных частиц не создаются спиновым вращением электрических зарядов, а существуют одновременно с постоянным электрическим полем как постоянная составляющая электромагнитного поля. Поэтому магнитные поля есть у всех элементарных частиц с квантовым числом L>0.

Полевая теория элементарных частиц не считает магнитный момент протона аномальным — его величина определяется набором квантовых чисел в той степени, в какой квантовая механика работает в элементарной частице.

Так основной магнитный момент протона создается двумя токами:

• (+) с магнитным моментом +2 eħ/m0pc
• (-) с магнитным моментом -0,5 eħ/m0pc

Для получения результирующего магнитного момента протона надо сложить оба момента, умножить на процент энергии переменного электромагнитного поля, разделенный на 100 процентов и добавить спиновую составляющую, в результате получим 1,3964237 eh/m0pc. Для того чтобы перевести в обычные ядерные магнетоны надо полученное число умножить на два — в итоге имеем 2,7928474.

2.3.1 Электрическое поле протона в дальней зоне

Знания физики об структуре электрического поля протона менялись по мере развития физики. Первоначально считалось, что электрическое поле протона представляет собой поле точечного электрического заряда +e. Для данного поля будут:
потенциал электрического поля протона в точке (А) в дальней зоне (r >> rp) точно, в системе СИ равен:

напряженность E электрического поля протона в дальней зоне (r >> rp) точно, в системе СИ равна:

где n = r/|r| — единичный вектор из центра протона в направлении точки наблюдения (А), r — расстояние от центра протона до точки наблюдения, e — элементарный электрический заряд, жирным шрифтом выделены вектора, ε0 — электрическая постоянная, rp=Lh/(m0~c) — радиус протона в полевой теории, L — главное квантовое число протона в полевой теории, h — постоянная Планка, m0~ — величина массы заключенной в переменном электромагнитном поле покоящегося протона, c — скорость света. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данные математические выражения верны для дальней зоны электрического поля протона: r >> rp, но физика тогда предполагала, что их верность распространяется и в ближней зоне, до расстояний порядка 10-14 см.

2.3.2 Электрические заряды протона

В первой половине 20 века физика считала, что у протона имеется только один электрический заряд и он равен +e.

После появления гипотезы кварков, физика предположила что внутри протона имеются не один, а три электрических заряда: два электрических заряда +2e/3 и один электрический заряд -e/3. В сумме эти заряды дают +e.

Это было сделано, поскольку физика предположила, что протон имеет сложную структуру и состоит из двух u-кварков с зарядом +2e/3 и одного d-кварка с зарядом -e/3.

Но кварки не были найдены ни в природе, ни на ускорителях ни при каких энергиях и оставалось либо принять их существование на веру (что и сделали сторонники Стандартной модели), либо искать другую структуру элементарных частиц.

Но вместе с этим в физике постоянно накапливалась экспериментальная информация об элементарных частицах и когда ее накопилось достаточно для переосмысления сделанного, на свет появилась полевая теория элементарных частиц.

Согласно полевой теории элементарных частиц, постоянное электрическое поле элементарных частиц с квантовым числом L>0, как заряженных, так и нейтральных, создается постоянной компонентой электромагнитного поля соответствующей элементарной частицы (не электрический заряд является первопричиной электрического поля, как физика считала в 19 веке, а электрические поля элементарных частиц таковы, что они соответствуют полям электрических зарядов). А поле электрического заряда возникает в результате наличия асимметрии между внешней и внутренней полусферами, генерирующими электрические поля противоположных знаков. Для заряженных элементарных частиц в дальней зоне генерируется поле элементарного электрического заряда, а знак электрического заряда определяется знаком электрического поля, генерируемого внешней полусферой. В ближней зоне данное поле обладает сложной структурой и является дипольным, но дипольным моментом оно не обладает. Для приближенного описания данного поля как системы точечных зарядов потребуется не менее 6 «кварков» внутри протона — лучше если взять 8 «кварков». Понятное дело, что электрические заряды таких «кварков» будут совершенно иными, чем считает стандартная модель (со своими кварками).

Полевая теория элементарных частиц установила, что у протона, как и у любой другой положительно заряженной элементарной частицы, можно выделить два электрических заряда и соответственно два электрических радиуса:

• электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда q+=+1.25e) — rq+= 4.39 10-14 см,
• электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда q-=-0.25e) — rq-= 2.45 10-14 см.

Данные характеристики электрического поля протона соответствуют распределению 1 полевой теории элементарных частиц.

Физика пока экспериментально не установила точность данного распределения, и какое распределение наиболее точно соответствует реальной структуре постоянного электрического поля протона в ближней зоне, равно как и саму структуру электрического поля протона в ближней зоне (на расстояниях порядка rp).

Как видите, электрические заряды близки по величине к зарядам предполагаемых кварков (+4/3e=+1.333e и -1/3e=-0.333e) в протоне, но в отличие от кварков, электромагнитные поля в природе существуют, и аналогичной структурой постоянного электрического поля обладает любая положительно заряженная элементарная частица, независимо от величины спина и … .

Величины электрических радиусов для каждой элементарной частицы уникальны и определяются главным квантовым числом в полевой теории L, величиной массы покоя, процентом энергии заключенной в переменном электромагнитном поле (где работает квантовая механика) и структурой постоянной составляющей электромагнитного поля элементарной частицы (одинаковой для всех элементарных частиц с заданным главным квантовым числом L), генерирующей внешнее постоянное электрическое поле. Электрический радиус указывает среднее местонахождение равномерно распределенного по окружности электрического заряда, создающего аналогичное электрическое поле. Оба электрических заряда лежат в одной плоскости (плоскости вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы) и имеют общий центр, совпадающий с центром вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы.

2.3.3 Электрическое поле протона в ближней зоне

Зная величины электрических зарядов внутри элементарной частицы и их местоположение, можно определить и создаваемое ими электрическое поле.

Напряженность E электрического поля протона в ближней зоне (r~rp), в системе СИ, как векторная сумма, приблизительно равна:

где n+ = r+/|r+| — единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q+ в направлении точки наблюдения (А), n- = r-/|r-| — единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда протона q- в направлении точки наблюдения (А), r — расстояние от центра протона до проекции точки наблюдения на плоскость протона, q+ — внешний электрический заряд +1.25e, q- — внутренний электрический заряд -0.25e, жирным шрифтом выделены вектора, ε0 — электрическая постоянная, z — высота точки наблюдения (А) (расстояние от точки наблюдения до плоскости протона), r0 — нормировочный параметр. (В системе СГС отсутствует множитель Множитель СИ .)

Данное математическое выражение представляет собой сумму векторов и ее надо вычислять по правилам сложения векторов, поскольку это поле двух распределенных электрических зарядов (+1.25e и -0.25e).

Первое и третье слагаемое соответствуют ближним точкам зарядов, второе и четвертое — дальним.

Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области протона, генерирующей его постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: h/m0~c

Протон

протон майл, протон нейтрон электрон

Прото́н (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — элементарная частица. Относится к барионам, имеет спин 1/2. Стабилен.

Протоны принимают участие в термоядерных реакциях, которые являются основным источником энергии, генерируемой звёздами. В частности, реакции pp-цикла, который является источником почти всей энергии, излучаемой Солнцем, сводятся к соединению четырёх протонов в ядро гелия-4 с превращением двух протонов в нейтроны.

Кварковая структура протона

В физике протон обозначается буквой p (или p+). Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) — H+, астрофизическое — HII.

Свойства протона

Относится к барионам, имеет спин 1/2, электрический заряд +1 (в единицах элементарного электрического заряда).

В физике элементарных частиц рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1/2 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка).

Стабилен (нижнее ограничение на время жизни — 2,9·1029 лет независимо от канала распада, 1,6·1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион).

Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет (рекомендованные значения CODATA 2014 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):

• 938,272 0813(58) МэВ;
• 1,007 276 466 879(91) а. е. м.;
• 1,672 621 898(21)·10−27 кг;
• 1836,152 673 89(17) массы электрона.

Внутренняя чётность: равна 1.

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 89(17), с точностью до 0,002 % равно значению 6π5 = 1836,118…

Магнитный момент протона измеряется путём измерения отношения резонансной частоты прецессии магнитного момента протона в заданном однородном магнитном поле и циклотронной частоты обращения протона по круговой орбите в том же самом поле

Протон в атомном ядре способен захватывать электрон с ближайшей K- или L-электронной оболочки атома (т. н. «электронный захват»). Протон атомного ядра, поглотив электрон, превращается в нейтрон и одновременно испускает нейтрино.

«Дырка» в K- или L-слое, образовавшаяся при электронном захвате, заполняется электроном одного из вышележащих электронных слоев атома с излучением характеристических рентгеновских лучей, соответствующих атомному номеру Z-1.

Известно свыше 200 изотопов от 4Be7 до 101Md256, распадающихся путём электронного захвата.

Протон в химии

Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле является ядром атома водорода (точнее, его лёгкого изотопа — протия) без электрона.

Протоны (вместе с нейтронами) являются основными составляющими атомных ядер. Порядковый номер химического элемента в периодической таблице (и, соответственно, все его химические свойства) полностью определяются зарядом ядра его атомов, который, в свою очередь, равен количеству протонов в ядре (протонному числу).

Положительно заряженный ион (катион) водорода — H+ в химии является мощным акцептором электронов и, соответственно, участвует в реакциях донорно-акцепторного взаимодействия. Протонирование, присоединение протона к веществу имеет важное значение во многих химических реакциях, например, при нейтрализации, электрофильном присоединении и электрофильном замещении, образовании ониевых соединений.

Источником протонов в химии являются минеральные (азотная, серная, фосфорная и другие) и органические (муравьиная, уксусная, щавелевая и другие) кислоты. В водном растворе кислоты способны к диссоциации с отщеплением протона, образующего катион гидроксония.

Интересные факты

• Ультрарелятивистские протоны (как и любые другие адроны, а также атомные ядра) для неподвижного наблюдателя имеют форму двояковогнутой линзы.
• Измерения радиуса протона с помощью атомов обычного водорода, проводимые разными методами с 1960-х годов, привели (CODATA-2014) к результату 0,8751±0,0061 фемтометра (1 фм = 10−15 м). Первые эксперименты с атомами мюонного водорода (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,84184±0.00067 фм. Причины такого различия пока неясны.

Литература

• Многие известные свойства протона систематически изложены в публикации Particle Data Group.  (англ.)
• Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
• 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

п·о·р Частицы в физике (Список частиц · Список квазичастиц · Список барионо⠷ Список мезонов) 

ЭлементарныечастицыСоставныечастицыДругиеклассификациичастицКвазичастицы

протон дэлгүүр, протон м, протон майл, протон нейтрон электрон, протон харьков, протон це, протон электроникс, протони і нейтрони, протоникс, протонная терапия

Протон Информацию О

Протон

Протон
Протон Вы просматриваете субъект
Протон что, Протон кто, Протон описание

Выше: «что вы искали?»вы можете запросить все в системе с коробкой. Добро пожаловать в нашу простую, стильную и быструю поисковую систему, которую мы подготовили, чтобы предоставить вам самую точную и актуальную информацию.

Поисковая система, разработанная для вас, доставляет вам самую актуальную и точную информацию с простым дизайном и системой быстрого функционирования.

На данный момент мы служим только на английском, турецком, русском, украинском, казахском и белорусском языках.
Очень скоро в систему будут добавлены новые языки.

Ракета-носитель Протон. История, фото, характеристики

УР-500 Протон – советская/российская ракета-носитель тяжелого класса, разработанная в ОКБ-52 Челомея (ныне ГКНПЦ им. Хруничева) в 1960-хх годах.

История ракет Протон

В начале 1960-хх годов космическая гонка между СССР и США достигла апогея.

Исследования космического пространства и появление огромного количества новых технологий и методик делало еще недавно разработанные ракеты морально устаревшими.

Уже к началу 1960-хх руководство СССР приняло решение о создании нового поколения ракет, способных выводит в космос как большую полезную нагрузку, так и тяжелые сверхмощные ядерные заряды.

В конкурсе участвовали основные конструкторские школы: ОКБ Королева предложило ракету Н-1, ОКБ Янгеля тяжелую ракету Р-56, а ОКБ №52 под руководством Челомея предложило семейство ракет под наименованием УР – Универсальная Ракета. Челомей планировал создать сразу 4 унифицированные ракеты: легкую МБР УР-100, среднюю МБР УР-200, тяжелый носитель УР-500 и сверхтяжелый носитель УР-700.

По итогу конкурса было решено отказаться от варианта легкой ракеты. ОКБ №52 получило заказ на среднюю МБР и тяжелый носитель. Заказ на сверхтяжелый носитель получил Королев со-своей Н-1.

Изначально, УР-500 предполагал «пакетную» схему, составленную из четырех параллельно соединенных ракет УР-200, с третьей ступенью, так же созданной на базе УР-200. Со-временем от такой схемы отказались в пользу тандемной, хотя верхние ступени все же были созданы из УР-200.

Ракета создавалась как гражданская – для доставки в космос тяжелых грузов, так и военная – в качестве стратегического носителя сверхтяжелых бомб мощностью до 150 мегатонн.

Для этого ракета должна была быть весьма мощной, т.к.

, например, созданная в 1961 году водородная бомба АН602 (знаменитая Кузькина мать или Царь-бомба) мощностью 58 мегатонн весила 26,5 тонн и не помещалась в фюзеляже бомбардировщика Ту-95.

Для УР-500 были адаптированы двигатели РД-253, разработанные в КБ Глушко. В свое время этот двигатель был отвергнут Королевым в проекте Н-1 из-за применяемого в нем токсичного топлива. Было решено применить эту технологию с УР-500, хотя токсичность топлива до сих пор является главной претензией к ракетам Протон.

Над проектом надвисла серьезная опасность закрытия после отставки поддерживавшего его Хрущева. Проект УР-200 был закрыт, как дублировавший уже действующие проект МБР Р-9. Однако, после длительного противостояния политиков и инженеров УР-500 было решено сохранить в гражданской версии.

Первый пуск двухступенчатой версии УР-500 совершил в 1965 году с грузом массой в 8,4 тонны. Всего, за 1965-1966 годы было осуществлено 4 запуска, доставивших в космос спутники Протон. Изначально ракету планировали назвать Геркулес, но из-за того, что первые 2 года УР-500 доставляла в космос спутники Протон, то и ее саму стали  так называть.

Тогда же началась разработка тяжелой версии Протон-К – уже трехступенчатой для возможности полетов к Луне. Эта ракета взлетела в 1967 году с прототипом будущего корабля для облета Луны.

Тем не менее, Лунная программа СССР не увенчалась успехом: из 11 запусков Протона-К и лунным кораблем полностью успешным признали только 1, а всего из 21 запуска Протона-К успешными признали лишь 6. Вкупе с неудачными запусками ракет Н-1 и тем фактом, что в 1969 году Аполлон-11 достиг Луны, в СССР программа была свернута.

Из-за высокой аварийности и большого количества доработок Протон-К была принят на вооружение только к 1978 году после 61 осуществленного пуска.

Протон-К использовалась для запуска различных научных, военных и гражданских космических аппаратов. Ракета использовалась для выведения полезной нагрузки на низкие орбиты, четырёхступенчатый — для выведения космических аппаратов на высокие. В зависимости от модификации ракета была способна вывести до 21 т полезной нагрузки на орбиту высотой 200 км и до 2,6 т на геостационарную орбиту.

В первом десятилетии XXI века ракета Протон-К сменилась модернизированной версией Протон-М, которая успешно эксплуатируется в России.

Конструкция ракет Протон

УР-200

Базовая УР-500 была двухступенчатой ракетой, у которой первая ступень – более мощная, была разработана специально, а вторая ступень унаследована от УР-200. Ракета могла вывести до 8,4 тонн груза на низкую орбиту.

Первая ступень семиблочная: один центральный, окруженный шестью боковыми блоками. Центральный блок включает хвостовой отсек, переходный отсек и бак окислителя, двигателей нет. Боковые блоки содержат хвостовые отсеки с двигателями РД-253, топливных баков и передних отсеков.

Вторая ступень состоит из переходного, топливного и хвостового отсеков. Оснащается тремя двигателями РД-0210 и одним РД-0211 (может обеспечивать наддув топливных баков).

Протон-К

Появление модификации Протон-К потребовало внести ряд изменений во вторую ступень базовой ракеты для обеспечения возможности добавления третьей и четвертой ступени. Это позволило увеличить массу полезной нагрузки и работать на более высоких орбитах.

Мощность двигателей первой ступени была увеличена на 7,7% (обновленные двигатели получили индекс РД-275).

Во второй ступени были увеличены топливные баки и изменилась конструкция переходного отсека между первой и второй ступенями.

Третья ступень – новая для УР-500 – состоит из приборного, топливного и хвостового отсеков. Ее разработали на базе второй ступени, но укоротили и установили 1 двигатель РД-0212 + небольшой рулевой двигатель РД-0214.

Протон-М

К 2012 году основной ракетой России стала обновленная модификация Протон-М. Она создана на базе модификации «К», но в нее был внесен ряд изменений, в первую очередь, в систему управления.

Благодаря этому ракета эффективнее сжигает топливо, отработанные ступени возвращаются на Землю более точно, получает возможность маневрировать в космосе, а так же позволяет устанавливать более габаритные грузы.

Так же двигатели РД-275 были заменены на РД-276, что увеличило на 650 кг массу забрасываемого на ГПО груза.

Все ступени используют топливо, составленное из несимметричного диметилгидразина (НДМГ или гептил) и тетраоксида азота. Это топливо позволило упростить двигатели, но считается крайне токсичным.

Разгонные блоки

Для окончательного выведения груза на орбиту и маневрирования в космосе используются разгонные блоки ДМ и Бриз-М.

Блок ДМ (изначально Блок Д) создавался в ОКБ-1 Королева. После модернизации до версии ДМ блок мог работать в космосе до 9 часов с тремя возможными запусками. Сейчас на его базе создаются новые модификации.

Блок Бриз-М предназначен для ракет Протон-М и Ангара и является универсальной и наиболее активно применяющейся системой. Блок позволяет увеличить массу нагрузки до 3,5 тонн на ГСО. Впервые был запущен в 2001 году.

запуска ракеты-носителя Протон-М

Эксплуатация ракет Протон

Разработка ракеты-носителя явилась одной из основных программ в советской космонавтике. Несмотря на череду неудач в первые годы своего существования, наряду с «семёркой» (РН Восток, РН Союз и др.

), Ракета Протон стала одной из наиболее используемых ракет-носителей в советской и позже в российской космонавтике.

Со временем первоначальные ошибки конструкции были отработаны, и в настоящее время «Протон» является одним из самых надёжных носителей из когда-либо созданных.

Ракета Протон изготавливается на ГКНПЦ им. Хруничева. Собранные элементы ракет доставляются на космодромы по железной дороге. Окончательная сборка ракеты и подготовка к пуску осуществляется на космодроме на площадке 92А-50.

Пуски осуществляются  с космодрома Байконур. Из четырех пусковых прощадок, построенных для ракеты в советский период эксплуатируются три: площадки 81Л, 81П и 200Л.

Специально для продвижения коммерческих пусков была учреждена международная компания International Launch Services (ILS). На 2011 год под эгидой ILS было проведено 72 пуска.

Начиная с 1965 года РН Протон в трех своих модификациях запускалась 409 раз (2015 год) из которых 27 пусков были неудачными и 20 частично неудачными.

Планируется, что к 2020 годам ракета уступит место новой, более совершенной и экологичной ракете Ангара.

Конструкция модификаций ракет Протон

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТ ПРОТОН

Открытие

Открыт Эрнестом Резерфордом в 1919 году.

Свойства протона

Относится к барионам, имеет спин 1⁄2, электрический заряд +1 (в единицах элементарного электрического заряда). В физике элементарных частиц рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1⁄2 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). Стабилен.

Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет (рекомендованные значения CODATA 2014 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):

Внутренняя чётность протона равна 1.

Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 89(17), с точностью до 0,002 % равно значению 6π5 = 1836,118…

Внутренняя структура протона впервые была экспериментально исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий (2 ГэВ) с протонами (Нобелевская премия по физике 1961 г.).

Протон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 {displaystyle approx 0,25cdot 10{-13}} см, с высокой плотностью массы и заряда, несущей ≈ 35 % {displaystyle approx 35\%} электрического заряда протона и окружающей его относительно разреженной оболочки.

На расстоянии от ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 {displaystyle approx 0,25cdot 10{-13}} до ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 {displaystyle approx 1,4cdot 10{-13}} см эта оболочка состоит в основном из виртуальных ρ- и π-мезонов, несущих ≈ 50 % {displaystyle approx 50\%} электрического заряда протона, затем до расстояния ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 {displaystyle approx 2,5cdot 10{-13}} см простирается оболочка из виртуальных ω- и π-мезонов, несущих ~15 % электрического заряда протона.

Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 1035 Па (1030 атмосфер), то есть выше давления внутри нейтронных звёзд.

Магнитный момент протона измеряется путём измерения отношения резонансной частоты прецессии магнитного момента протона в заданном однородном магнитном поле и циклотронной частоты обращения протона по круговой орбите в том же самом поле.

С протоном связаны три физических величины, имеющих размерность длины:

• комптоновская длина волны протона λ K = 2 π ℏ m c ≈ 1 , 32 ⋅ 10 − 13 {displaystyle lambda _{K}={frac {2pi hbar }{mc}}approx 1,32cdot 10{-13}} см;
• расстояние от центра протона до максимума плотности электрического заряда R E ≈ 0 , 75 ⋅ 10 − 13 {displaystyle R_{E}approx 0,75cdot 10{-13}} см;
• гравитационный радиус протона R G = 2 G m c 2 ≈ 2 , 48 ⋅ 10 − 52 {displaystyle R_{G}={frac {2Gm}{c{2}}}approx 2,48cdot 10{-52}} см.

Измерения радиуса протона с помощью атомов обычного водорода, проводимые разными методами с 1960-х годов, привели (CODATA-2014) к результату 0,8751 ± 0,0061 фемтометра (1 фм = 10−15 м). Первые эксперименты с атомами мюонного водорода (где электрон заменён на мюон) дали для этого радиуса на 4 % меньший результат 0,84184 ± 0,00067 фм. Причины такого различия пока неясны.

Ультрарелятивистские протоны (как и любые другие адроны, а также атомные ядра) для неподвижного наблюдателя имеют форму двояковогнутой линзы.

Так называемый протона Qw ≈ 1 − 4 sin2 θW, определяющий его участие в слабых взаимодействиях путём обмена Z0-бозоном (аналогично тому как электрический заряд частицы определяет её участие в электромагнитных взаимодействиях путём обмена фотоном), составляет 0,0719 ± 0,0045, согласно экспериментальным измерениям нарушения чётности при рассеянии поляризованных электронов на протонах. Измеренная величина в пределах экспериментальной погрешности согласуется с теоретическими предсказаниями Стандартной модели (0,0708 ± 0,0003).

Стабильность

Основная статья: Распад протона

Свободный протон стабилен, экспериментальные исследования не выявили никаких признаков его распада (нижнее ограничение на время жизни — 2,9⋅1029 лет независимо от канала распада, 8,2⋅1033 лет для распада в позитрон и нейтральный пион, 6,6⋅1033 лет для распада в положительный мюон и нейтральный пион).

Поскольку протон является наиболее лёгким из барионов, стабильность протона является следствием закона сохранения барионного числа — протон не может распасться в какие-либо более лёгкие частицы (например, в позитрон и нейтрино) без нарушения этого закона.

Однако многие теоретические расширения Стандартной модели предсказывают процессы (пока не наблюдавшиеся), следствием которых было бы несохранение барионного числа и, следовательно, распад протона.

Протон, связанный в атомном ядре, способен захватывать электрон с электронной K-, L- или M-оболочки атома (т. н. «электронный захват»). Протон атомного ядра, поглотив электрон, превращается в нейтрон и одновременно испускает нейтрино: p+e− → n+νe.

«Дырка» в K-, L- или M-слое, образовавшаяся при электронном захвате, заполняется электроном одного из вышележащих электронных слоев атома с излучением характеристических рентгеновских лучей, соответствующих атомному номеру Z − 1, и/или Оже-электронов.

Известно свыше 1000 изотопов от 7
4Be до 262
105Db, распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше 2mec2 ≈ 1,022 МэВ) открывается конкурирующий канал распада — позитронный распад p → n+e++νe.

Следует подчеркнуть, что эти процессы возможны только для протона в некоторых ядрах, где недостающая энергия восполняется переходом образовавшегося нейтрона на более низкую ядерную оболочку; для свободного протона они запрещены законом сохранения энергии.

Эффект Унру должен приводить к тому, что в неинерциальных системах отсчета протон (как и другие стабильные частицы) приобретает конечное время жизни — открывается возможность его обратного бета-распада на нейтрон, позитрон и нейтрино p → n+e++νe, запрещённого законом сохранения энергии для покоящегося или равномерно движущегося протона. Однако при достижимых в лаборатории ускорениях этот эффект мал и никогда не наблюдался экспериментально.

Протон в химии

Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле является ядром атома водорода (точнее, его лёгкого изотопа — протия) без электрона.

Протоны (вместе с нейтронами) являются основными составляющими атомных ядер. Порядковый номер химического элемента в периодической таблице (и, соответственно, все его химические свойства) полностью определяются зарядом ядра его атомов, который, в свою очередь, равен количеству протонов в ядре (протонному числу).

Положительно заряженный ион (катион) водорода — H+ в химии является мощным акцептором электронов и, соответственно, участвует в реакциях донорно-акцепторного взаимодействия.

Протонирование, присоединение протона к веществу имеет важное значение во многих химических реакциях, например, при нейтрализации, электрофильном присоединении и электрофильном замещении, образовании ониевых соединений.

Источником протонов в химии являются минеральные (азотная, серная, фосфорная и другие) и органические (муравьиная, уксусная, щавелевая и другие) кислоты. В водном растворе кислоты способны к диссоциации с отщеплением протона, образующего катион гидроксония.

В газовой фазе протоны получают ионизацией — отрывом электрона от атома водорода. Потенциал ионизации невозбуждённого атома водорода составляет 13,595 эВ.

При ионизации молекулярного водорода быстрыми электронами при атмосферном давлении и комнатной температуре первоначально образуется молекулярный ион водорода (H2+) — физическая система, состоящая из двух протонов, удерживающихся вместе на расстоянии 1,06 Å одним электроном.

Стабильность такой системы, по Полингу, вызвана резонансом электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной 7·1014 с−1. При повышении температуры до нескольких тысяч градусов состав продуктов ионизации водорода изменяется в пользу протоно⠗ H+.

Применение

Пучки ускоренных протонов используются в экспериментальной физике элементарных частиц (изучение процессов рассеяния и получение пучков других частиц), в медицине (протонная терапия онкологических заболеваний).

Литература

• Многие известные свойства протона систематически изложены в публикации Particle Data Group. (англ.)
• Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
• 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, вып. 3. — С. 505—524. — DOI:10.3367/UFNr.0133.198103d.0505.
• Дрелл С. Д., Захариазен Ф. Электромагнитная структура нуклонов. — М.: ИЛ, 1962. — 175 с.
• Лекции о структуре и свойствах адронов. — М: Атомиздат, 1976. — 248 с.