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.
В физике протон обозначается p (или p + ). Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) - H + , астрофизическое - HII.
Открытие
Свойства протона
Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 673 89(17) , с точностью до 0,002 % равно значению 6π 5 = 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 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{,}25\cdot 10^{-13}} до ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 {\displaystyle \approx 1{,}4\cdot 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{,}5\cdot 10^{-13}} см простирается оболочка из виртуальных ω - и π -мезонов, несущих ~15 % электрического заряда протона .
Давление в центре протона, создаваемое кварками, составляет порядка 10 35 Па (10 30 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:
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.
Стабильность
Свободный протон стабилен, экспериментальные исследования не выявили никаких признаков его распада (нижнее ограничение на время жизни - 2,9⋅10 29 лет независимо от канала распада , 1,6⋅10 34 лет для распада в позитрон и нейтральный пион , 7,7⋅10 33 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 − →
+ν e
. «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
4
до 262
105
, распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше 2m e c
2
≈ 1,022 МэВ
) открывается конкурирующий канал распада - позитронный распад p → +e +
+ν e
. 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.
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 (H 2 +) - физическая система, состоящая из двух протонов, удерживающихся вместе на расстоянии 1,06 одним электроном. Стабильность такой системы, по Полингу , вызвана резонансом электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной 7·10 14 с −1 . При повышении температуры до нескольких тысяч градусов состав продуктов ионизации водорода изменяется в пользу протонов - 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) .
См. также
Примечания
- http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants --- Complete Listing
- CODATA Value: proton mass
- CODATA Value: proton mass in u
- Ahmed S. et al. Constraints on Nucleon Decay via Invisible Modes from the Sudbury Neutrino Observatory (англ.) // Physical Review Letters : journal. - 2004. - Vol. 92 , no. 10 . - P. 102004 . - DOI :10.1103/PhysRevLett.92.102004 . - Bibcode : 2004PhRvL..92j2004A . - arXiv :hep-ex/0310030 . - PMID 15089201 .
- CODATA Value: proton mass energy equivalent in MeV
- CODATA Value: proton-electron mass ratio
- , с. 67.
- Хофштадтер P. Структура ядер и нуклонов // УФН . - 1963. - Т. 81, № 1. - С. 185-200. - ISSN. - URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
- Щёлкин К. И. Виртуальные процессы и строение нуклона // Физика микромира - М.: Атомиздат, 1965. - С. 75.
- Жданов Г. Б. Упругие рассеяния, периферические взаимодействия и резононы // Частицы высоких энергий. Высокие энергии в космосе и лаборатории - М.: Наука, 1965. - С. 132.
- Burkert V. D. , Elouadrhiri L. , Girod F. X.
Нейтрон был открыт английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932г. Масса нейтрона равна 1,675·10-27кг, что в 1839 раз больше массы электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.
Среди химиков принято пользоваться единицей атомной массы, или дальтоном (d), приблизительно равной массе протона. Масса протона и масса нейтрона приблизительно равны единице атомной массы.
2.3.2 Строение атомных ядер
Известно о существовании нескольких сот разных видов атомных ядер. Вместе с электронами, окружающими ядро, они образуют атомы разных химических элементов.
Хотя детальное строение ядер и не установлено, физики единодушно принимают, что ядра можно считать состоящими из протонов и нейтронов.
Вначале в качестве примера рассмотрим дейтрон. Это ядро атома тяжелого водорода, или атома дейтерия. Дейтрон имеет такой же электрический заряд, как и протон, но его масса приблизительно вдвое электрический заряд, как и протон, но его масса приблизительно вдвое превышает массу протона. Полагают, что дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона.
Ядро атома гелия, которое также называют альфа – частицей или гелионом, имеет электрический заряд, в два раза превышающий заряд протона, и массу приблизительно в четыре раза больше массы протона. Считают, что альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.
2.4 Атомная орбиталь
Атомная орбиталь – пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона.
Электроны, движущиеся в орбиталях, образуют электронные слои, или энергетические уровни.
Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяется по формуле:
N = 2 n 2 ,
где n – главное квантовое число;
N – максимальное количество электронов.
Электроны, имеющие одинаковое значение главного квантового числа, находятся на одном энергетическом уровне. Электрические уровни, характеризующиеся значениями n=1,2,3,4,5 и тд., обозначают как K,L,M,N и тд. Согласно приведенной выше формуле, на первом (ближайшем к ядру) энергетическом уровне может находиться – 2, на втором – 8, на третьем – 18 электронов и тд.
Главным квантовым числом задается значение энергии в атомах. Электроны, обладающие наименьшим запасом энергии, находятся на первом энергетическом уровне (n=1). Ему соответствует s-орбиталь, имеющая сферическую форму. Электрон, занимающий s-орбиталь, называется s-электроном.
Начиная с n=2 энергетические уровни подразделяются на подуровни, отличающиеся друг от друга энергией связи с ядром. Различают s-, p-, d- и f-подуровни. Подуровни образуют, обитали одинаковой формы.
На втором энергетическом уровне (n=2) имеется s-орбиталь (обозначается 2s-орбиталь) и три p-орбитали (обозначаются 2p-орбиталь). 2s-электрон находится от ядра дальше, чем 1s-электрон и обладает большей энергией. Каждая 2p-орбиталь имеет форму объемной восьмерки, расположенной на оси, перпендикулярной осям двух других p-орбиталей (обозначаются px-, py-, pz – орбитали). Электроны, находящиеся на p-орбитали, называются p-электронами.
На третьем энергетическом уровне имеются три подуровня (3s, 3p, 3d). d- подуровень состоит из пяти орбиталей.
Четвертый энергетический уровень (n=4) имеет 4 подуровня (4s, 4p, 4d и 4f). f-подуровень состоит из семи орбиталей.
В соответствии с принципом Паули на одной орбитали может находиться не более двух электронов. Если в орбитали находится один электрон, он называется неспаренным. Если два электрона – то спаренными. Причем спаренные электроны должны обладать противоположными спинами. Упрощенно спин можно представить как вращение электронов вокруг собственной оси по часовой и против часовой стрелки.
На рис. 3 изображено относительное расположение энергетических уровней и подуровней. Следует учесть, что 4s-подуровень расположен ниже 3d-подуровня.
Распределение электронов в атомах по энергетическим уровням и подуровням изображают с помощью электронных формул, например:
Цифра перед буквой показывает номер энергетического уровня, буква – форму электронного облака, цифра справа над буквой – число электронов с данной формой облака.
В графических электронных формулах атомная орбиталь изображается в виде квадрата, электрон - стрелкой (направление спина) (табл. 1)
Если вы знакомы со строением атома, то наверняка знаете, что атом любого элемента состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, электронов, нейтронов. Протоны в сочетании с нейтронами образуют атомное ядро Так как заряд протона положительный, атомное ядро всегда заряжено положительно. атомного ядра компенсируется окружающим его облаком других элементарных частиц. Отрицательно заряженный электрон - это та составляющая атома, которая стабилизирует заряд протона. В зависимости от того, какое окружает атомное ядро, элемент может быть либо электрически нейтральным (в случае равенства количества протонов и электронов в атоме), либо иметь положительный или отрицательный заряд (в случае недостатка или избытка электронов, соответственно). Атом элемента, несущий на себе определенный заряд, именуется ионом.
Важно помнить, что именно числом протонов определяются свойства элементов и их положение в периодической таблице им. Д. И. Менделеева. Содержащиеся в атомном ядре нейтроны не имеют заряда. Из-за того что и протона соотносимы и практически равны друг другу, а масса электрона ничтожно мала по сравнению с ними (в 1836 раз меньше то число нейтронов в ядре атома играет очень важную роль, а именно: определяет стабильность системы и скорость ядер. Содержанием нейтронов определяется изотоп (разновидность) элемента.
Однако из-за несоответствия масс заряженных частиц протоны и электроны имеют разные удельные заряды (эта величина определяется отношением заряда элементарной частицы к ее массе). Вследствие этого удельный заряд протона равен 9,578756(27)·107 Кл/кг против -1,758820088(39)·1011 у электрона. Из-за высокого значения удельного заряда свободные протоны не могут существовать в жидких средах: они поддаются гидратации.
Масса и заряд протона - это конкретные величины, которые удалось установить еще в начале прошлого столетия. Кто же из ученых совершил это - одно из величайших - открытие двадцатого века? Еще в 1913 году Резерфорд, основываясь на том, что массы всех известных химических элементов больше массы атома водорода в целое число раз, предположил, что ядро атома водорода входит в ядро атома любого элемента. Несколько позднее Резерфорд провел опыт, в котором изучал взаимодействие ядер атома азота с альфа-частицами. В результате проведенного эксперимента из ядра атома вылетела частица, которую Резерфорд назвал «протон» (от греческого слова «протос» - первый) и предположил, что она и является ядром атома водорода. Предположение было доказано экспериментально в ходе повторного проведения этого научного опыта в камере Вильсона.
Тем же Резерфордом в 1920 году было высказана гипотеза о существовании в атомном ядре частицы, масса которой равна массе протона, но не несущей на себе никакого электрического заряда. Однако самому Резерфорду обнаружить эту частицу не удалось. Зато в 1932 году его ученик Чедвик экспериментально доказал существование в атомном ядре нейтрона - частицы, как и предсказывал Резерфорд, примерно равной по массе протону. Обнаружить нейтроны было сложнее, так как они не имеют электрического заряда и, соответственно, не вступают во взаимодействия с другими ядрами. Отсутствием заряда объясняется такое свойство нейтронов как очень высокая проникающая способность.
Протоны и нейтроны связаны в атомном ядре очень сильным взаимодействием. Сейчас физики сходятся на мысли, что две эти элементарные ядерные частицы очень похожи друг на друга. Так, они имеют равные спины, и ядерные силы действуют на них абсолютно одинаково. Единственное отличие - заряд протона положителен, нейтрон же вообще не имеет заряда. Но так как электрический заряд в ядерных взаимодействиях не имеет никакого значения, он может рассматриваться лишь как некая метка протона. Если же лишить протон электрического заряда, то он потеряет свою индивидуальность.
В разделе на вопрос Чему равен заряд протона? заданный автором Европейский лучший ответ это заряду электрона с противоположным знаком.
Ответ от Корпускуляр
[гуру]
q=1.6021917Е-19кулон (Е-19 означает 10 в минус 19й степени).
Ответ от Выросток
[новичек]
1.6* 10^(-19) кл или 1 электрон
Ответ от Посошок
[мастер]
Протон - элементарная частица. Относится к адронам, имеет спин 1/2, электрический заряд +1. Рассматривается как нуклон с проекцией изоспина +1/2. 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 938,271 998±0,000 038 МэВ или 1,00 727 646 688±0,00 000 000 013 а. е. м. или 1,672 622 964 ∙ 10−27 кг.
Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле является ядром атома водорода (точнее, его лёгкого изотопа - протия) без электрона. В физике протон обозначается буквой p. Химическое обозначение протона (положительного иона водорода) - H+, астрофизическое - HII.
Протоны (вместе с нейтронами) являются основными составляющими атомных ядер. Заряд ядра определяется количеством протонов в нём
Заряд протона qпр = + e.
Электрический заряд протона=1,6*10^(–19) Кл
Масса протона больше массы электрона приблизительно в 1840 раз.
До начала 20 века ученые считали атом мельчайшей неделимой частицей вещества, но это оказалось не так. На самом деле, в центра атома располагается его ядро с заряженными положительно протонами и нейтральными нейтронами, вокруг ядра по орбиталям вращаются отрицательно заряженные электроны (данная модель атома была в 1911 году предложена Э. Резерфордом). Примечательно, что массы протонов и нейтронов практически равны, а вот масса электрона примерно в 2000 раз меньше.
Хоть атом содержит как положительно заряженные частицы, так и отрицательно, его заряд нейтрален, т.к., в атоме одинаковое количество протонов и электронов, а рзнозаряженные частицы нейтрализуют друг друга.
Позже ученые выяснили, что электроны и протоны обладают одинаковой величиной заряда, равной 1,6·10 -19 Кл (Кл - кулон, единица электрического заряда в системе СИ.
Никогда не задумывались над вопросом - какое кол-во электронов соответствует заряду в 1 Кл?
1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 электронов
Электрическая сила
Электрические заряды воздействуют друг на друга, что проявляется в виде электрической силы .
Если какое-то тело имеет избыток электронов, оно будет обладать суммарным отрицательным электрическим зарядом, и наоборот - при дефиците электронов, тело будет иметь суммарный положительный заряд.
По аналогии с магнитными силами, когда одноименно заряженные полюса отталкиваются, а разноименно - притягиваются, электрические заряды ведут себя аналогичным образом. Однако, в физике недостаточно говорить просто о полюсности электрического заряда, важно его числовое значение.
Чтобы узнать величину силы, действующей между заряженными телами, необходимо знать не только величину зарядов, но и расстояние между ними. Ранее уже рассматривалась сила всемирного тяготения : F = (Gm 1 m 2)/R 2
- m 1 , m 2 - массы тел;
- R - расстояние между центрами тел;
- G = 6,67·10 -11 Нм 2 /кг - универсальная гравитационная постоянная.
В результате проведенных лабораторных опытов, физики вывели аналогичную формулу для силы взаимодейтсвия электрических зарядов, которая получила название закон Кулона :
F = kq 1 q 2 /r 2
- q 1 , q 2 - взаимодействующие заряды, измеренные в Кл;
- r - расстояние между зарядами;
- k - коэффициент пропорциональности (СИ : k=8,99·10 9 Нм 2 Кл 2 ; СГСЭ : k=1).
- k=1/(4πε 0).
- ε 0 ≈8,85·10 -12 Кл 2 Н -1 м -2 - электрическая постоянная.
Согласно закону Кулона, если два заряда имеют одинаковый знак, то действующая между ними сила F положительна (заряды отталкиваются друг от друга); если заряды имеют противоположные знаки, действующая сила отрицательна (заряды притягиваются друг к другу).
О том, насколько огромным по силе является заряд в 1 Кл можно судить, используя закон Кулона. Например, если предположить, что два заряда, каждый в 1Кл разнести на расстояние друг от друга в 10 метров, то они будут друг от друга отталкиваться с силой:
F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99·10 9)·1·1/(10 2) = -8,99·10 7 Н
Это достаточно большая сила, примерно сопостовимая с массой в 5600 тонн.
Давайте теперь при помощи закона Кулона узнаем, с какой линейной скоростью вращается электрон в атоме водорода, считая, что он движется по круговой орбите.
Электростатическую силу, действующую на электрон, по закону Кулона можно приравнять к центростремительной силе:
F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r
Учитывая тот факт, что масса электрона равна 9,1·10 -31 кг, а радиус его орбиты = 5,29·10 -11 м, получаем значение 8,22·10 -8 Н.
Теперь можно найти линейную скорость электрона:
8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 м/с
Таким образом, электрон атома водорода вращается вокруг его центра со скоростью, равной примерно 7,88 млн. км/ч.
