Протон

Прото́н (от греч. πρῶτος – первый; символ р), стабильная элементарная частица (нижняя граница времени жизни протона 2,1·10²⁹ лет); ядро атома самого лёгкого изотопа водорода (H⁺ ). Вместе с нейтронами протоны образуют ядра всех атомов тяжелее водорода; число протонов в ядре равно атомному номеру данного химического элемента и, т. о., определяет его место в периодической системе химических элементов. Масса m_р =1,672621777(74)·10^–24 г≈1836m_е , где ${\displaystyle m_{\text{е}}}$ – масса электрона; в энергетических единицах ${\displaystyle m_{p}}$≈938,3 МэВ. Электрический заряд протона положителен и по абсолютной величине равен заряду электрона: e=1,602176565·10^–19 Кл. Спин протона равен ¹ /₂ , поэтому протоны подчиняются статистике Ферми – Дирака. Магнитный момент протона ${\displaystyle \mu _{p}}$=2,792847356(23)μ_я , где ${\displaystyle \mu _{\text{я}}}$ – ядерный магнетон. Среднеквадратичный радиус протона составляет 0,8 фм. У протона существует античастица – антипротон. Протон участвует во всех фундаментальных взаимодействиях: сильном (является адроном), электромагнитном, слабом и гравитационном. В классе адронов протон относится к подклассу барионов и имеет сохраняющийся барионный заряд +1. В сильном взаимодействии протон и нейтрон проявляют одинаковые свойства и рассматриваются как два состояния одной частицы – нуклона, различающиеся проекциями изотопического спина.

Представление о протоне возникло в результате построения планетарной модели атома (Э. Резерфорд, 1911), открытия изотопов (Ф. Содди, Дж. Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906–1919), атомные массы которых оказались кратными атомной массе водорода, и экспериментального наблюдения ядер водорода, выбитых α-частицами из ядер других элементов (Резерфорд, 1919–1920). Термин «протон» ввёл Резерфорд в начале 1920-х гг.

В рамках утвердившейся к началу 2000-х гг. стандартной модели протон состоит из трёх кварков, удерживаемых за счёт обмена глюонами. Около 99 % массы протона обусловлено энергией движения и взаимодействия кварков и глюонов. Силы, связывающие нуклоны в атомных ядрах, и другие низкоэнергетические процессы объясняются в основном обменом виртуальным π-мезоном между нуклонами. Теоретической основой для описания свойств протонов в сильных взаимодействиях является квантовая хромодинамика.

Электромагнитные свойства протона неразрывно связаны с наличием вокруг него облака виртуальных адронов. Именно взаимодействием γ-кванта с виртуальными π-мезонами качественно объясняется большое отличие магнитного момента протона от ядерного магнетона. Экспериментами по рассеянию электронов и γ-квантов на протонах установлены пространственные распределения электрического заряда и магнитного момента протона – его формфактор (Р. Хофстедтер и другие, 1957) и измерены его электрическая и магнитная поляризуемости (В. И. Гольданский и другие, 1960).

Примерами слабого взаимодействия с участием протонов являются внутриядерные превращения протона в нейтрон и наоборот, проявляющиеся в виде бета-распада ядер и электронного захвата.

В свободном состоянии протон наблюдаются в космических лучах (около 90% их состава) и при протонной радиоактивности некоторых ядер.

Ввиду стабильности протона, наличия у него электрического заряда и относительной простоты получения (ионизацией атомов водорода) пучки ускоренных протонов являются одним из основных инструментов экспериментальной физики элементарных частиц. Ускоренные протоны используются для изучения рассеяния самих протонов, а также для получения пучков частиц: π- и K-мезонов, антипротонов, мюонов. На основе пучков ускоренных протонов успешно развивается протонная терапия в медицине.

Протоны участвуют в термоядерных реакциях, являющихся основным источником энергии звёзд. Важное значение имеет участие протонов во многих химических реакциях (например, протолитических реакциях, протонировании), а также в кислотно-оснóвном взаимодействии.