Protón je elementárna častica. Kto a kedy objavil protón a neutrón

Kedysi sa verilo, že najmenšou štruktúrnou jednotkou akejkoľvek látky je molekula. Potom, s vynálezom výkonnejších mikroskopov, ľudstvo prekvapilo objavením konceptu atómu - zloženej častice molekúl. Zdalo by sa to oveľa menej? Medzitým sa ešte neskôr ukázalo, že atóm zase pozostáva z menších prvkov.

Začiatkom 20. storočia objavil britský fyzik prítomnosť jadier v atóme - centrálnych štruktúrach. Práve tento moment znamenal začiatok série nekonečných objavov týkajúcich sa štruktúry najmenšieho konštrukčného prvku hmoty.

Dnes je na základe jadrového modelu a vďaka početným štúdiám známe, že atóm pozostáva z jadra, ktoré je obklopené elektrónový oblak. Takýto „oblak“ obsahuje elektróny alebo elementárne častice so záporným nábojom. Jadro naopak obsahuje častice s elektricky kladným nábojom, tzv protóny. Už vyššie spomínaný britský fyzik dokázal tento jav pozorovať a následne opísať. V roku 1919 uskutočnil experiment, pri ktorom častice alfa vyradili jadrá vodíka z jadier iných prvkov. Podarilo sa mu teda zistiť a dokázať, že protóny nie sú nič iné ako jadro bez jediného elektrónu. V modernej fyzike sú protóny symbolizované symbolom p alebo p+ (označuje kladný náboj).

Protón v preklade z gréčtiny znamená „prvý, hlavný“ - elementárna častica patriaca do triedy baryóny, tie. relatívne ťažký Ide o stabilnú konštrukciu, jej životnosť je viac ako 2,9 x 10(29) rokov.

Presnejšie povedané, okrem protónu obsahuje aj neutróny, ktoré sú už podľa názvu neutrálne nabité. Oba tieto prvky sú tzv nukleóny.

Hmotnosť protónu sa kvôli celkom zjavným okolnostiam nedala dlho merať. Teraz je známe, že áno

t.t. = 1,67262∙10-27 kg.

Presne takto vyzerá pokojová hmotnosť protónu.

Prejdime k pochopeniu protónovej hmotnosti, ktoré je špecifické pre rôzne oblasti fyziky.

Hmotnosť častice v rámci jadrovej fyziky má často inú formu jej mernej jednotky je amu.

A.e.m. - jednotka atómovej hmotnosti. Jedna amu rovná 1/12 hmotnosti atómu uhlíka, ktorého hmotnostné číslo je 12. 1 atómová hmotnostná jednotka sa teda rovná 1,66057 10-27 kg.

Hmotnosť protónu teda vyzerá takto:

Teplota topenia = 1,007276 a. jesť.

Existuje ďalší spôsob vyjadrenia hmotnosti tejto kladne nabitej častice pomocou rôznych jednotiek merania. Aby ste to dosiahli, musíte najprv prijať ako axiómu ekvivalenciu hmotnosti a energie E=mc2. Kde c - a m je telesná hmotnosť.

Hmotnosť protónov sa v tomto prípade meria v megaelektrónvoltoch alebo MeV. Táto jednotka merania sa používa výlučne v jadrovej a atómovej fyzike a slúži na meranie energie, ktorá je potrebná na prenos častice medzi dvoma bodmi v C s podmienkou, že potenciálny rozdiel medzi týmito bodmi je 1 Volt.

Preto, ak vezmeme do úvahy, že 1 hod. = 931,494829533852 MeV, hmotnosť protónov je približne

Tento záver bol získaný na základe hmotnostných spektroskopických meraní a práve hmotnosť vo forme, v akej je uvedená vyššie, sa tiež bežne nazýva e pokojová energia protónov.

Na základe potrieb experimentu teda možno hmotnosť najmenšej častice vyjadriť v troch rôznych hodnotách, v troch rôznych meracích jednotkách.

Okrem toho možno hmotnosť protónu vyjadriť v pomere k hmotnosti elektrónu, ktorý, ako je známe, je oveľa „ťažší“ ako kladne nabitá častica. Hmotnosť s hrubým výpočtom a významnými chybami v tomto prípade bude 1836,152 672 vzhľadom na hmotnosť elektrónu.

DEFINÍCIA

Proton nazývaná stabilná častica patriaca do triedy hadrónov, ktorá je jadrom atómu vodíka.

Vedci sa nezhodujú na tom, ktorá vedecká udalosť by sa mala považovať za objav protónu. Dôležitú úlohu pri objave protónu zohrali:

1. vytvorenie planetárneho modelu atómu od E. Rutherforda;
2. objav izotopov F. Soddym, J. Thomsonom, F. Astonom;
3. pozorovania správania sa jadier atómov vodíka pri ich vyraďovaní časticami alfa z jadier dusíka od E. Rutherforda.

Prvé fotografie protónových stôp získal P. Blackett v oblačnej komore pri štúdiu procesov umelej premeny prvkov. Blackett študoval proces zachytávania častíc alfa jadrami dusíka. Pri tomto procese sa uvoľnil protón a jadro dusíka sa premenilo na izotop kyslíka.

Protóny sú spolu s neutrónmi súčasťou jadier všetkých chemických prvkov. Počet protónov v jadre určuje atómové číslo prvku v periodickej tabuľke D.I. Mendelejev.

Protón je kladne nabitá častica. Jeho náboj sa rovná veľkosti elementárneho náboja, to znamená hodnote náboja elektrónu. Náboj protónu sa často označuje ako , potom môžeme napísať, že:

V súčasnosti sa verí, že protón nie je elementárna častica. Má zložitú štruktúru a skladá sa z dvoch u-kvarkov a jedného d-kvarku. Elektrický náboj u-kvarku () je kladný a rovná sa

Elektrický náboj d-kvarku () je záporný a rovná sa:

Kvarky spájajú výmenu gluónov, čo sú poľné kvantá, ktoré vydržia silnú interakciu. Skutočnosť, že protóny majú vo svojej štruktúre niekoľko bodov bodového rozptylu, potvrdzujú experimenty na rozptyle elektrónov protónmi.

Protón má konečnú veľkosť, o ktorej vedci stále polemizujú. V súčasnosti je protón reprezentovaný ako oblak, ktorý má rozmazanú hranicu. Takáto hranica pozostáva z neustále vznikajúcich a ničiacich virtuálnych častíc. Ale vo väčšine jednoduchých problémov možno protón, samozrejme, považovať za bodový náboj. Zvyšná hmotnosť protónu () sa približne rovná:

Hmotnosť protónu je 1836-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu.

Protóny sa zúčastňujú všetkých základných interakcií: silné interakcie spájajú protóny a neutróny do jadier, elektróny a protóny sa spájajú do atómov pomocou elektromagnetických interakcií. Ako slabú interakciu môžeme uviesť napríklad beta rozpad neutrónu (n):

kde p je protón; - elektrón; - antineutrino.

Rozpad protónov ešte nebol získaný. Toto je jeden z dôležitých moderných problémov fyziky, pretože tento objav by bol významným krokom k pochopeniu jednoty prírodných síl.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

Cvičenie	Jadrá atómu sodíka sú bombardované protónmi. Aká je sila elektrostatického odpudzovania protónu od jadra atómu, ak je protón vo vzdialenosti m. Uvažujme, že náboj jadra atómu sodíka je 11-krát väčší ako náboj protónu. Vplyv elektrónového obalu atómu sodíka možno ignorovať.
Riešenie	Ako základ pre riešenie problému použijeme Coulombov zákon, ktorý možno pre náš problém napísať (za predpokladu, že častice sú bodové) takto: kde F je sila elektrostatickej interakcie nabitých častíc; Cl - protónový náboj; - náboj jadra atómu sodíka; - dielektrická konštanta vákua; - elektrická konštanta. Pomocou údajov, ktoré máme, môžeme vypočítať požadovanú odpudivú silu:
Odpoveď	N

PRÍKLAD 2

Cvičenie	Vzhľadom na najjednoduchší model atómu vodíka sa predpokladá, že elektrón sa pohybuje po kruhovej dráhe okolo protónu (jadra atómu vodíka). Aká je rýchlosť elektrónu, ak polomer jeho dráhy je m?
Riešenie	Uvažujme sily (obr. 1), ktoré pôsobia na elektrón pohybujúci sa po kružnici. Toto je sila príťažlivosti protónu. Podľa Coulombovho zákona píšeme, že jeho hodnota sa rovná (): kde =— náboj elektrónu; - protónový náboj; - elektrická konštanta. Príťažlivá sila medzi elektrónom a protónom v ktoromkoľvek bode na obežnej dráhe elektrónu smeruje od elektrónu k protónu pozdĺž polomeru kruhu.

Štúdiom štruktúry hmoty fyzici zistili, z čoho sa skladajú atómy, dostali sa k atómovému jadru a rozdelili ho na protóny a neutróny. Všetky tieto kroky boli dané celkom jednoducho – stačilo častice urýchliť na požadovanú energiu, pritlačiť ich k sebe a potom sa samy rozpadli na jednotlivé časti.

Ale s protónmi a neutrónmi tento trik už nefungoval. Aj keď sú to zložené častice, nemožno ich „rozbiť na kúsky“ ani pri najnásilnejšej zrážke. Fyzikom preto trvalo desaťročia, kým prišli na rôzne spôsoby, ako nahliadnuť do vnútra protónu, vidieť jeho štruktúru a tvar. Dnes je štúdium štruktúry protónu jednou z najaktívnejších oblastí časticovej fyziky.

Príroda dáva rady

História štúdia štruktúry protónov a neutrónov siaha až do 30. rokov minulého storočia. Keď boli okrem protónov objavené aj neutróny (1932), po zmeraní ich hmotnosti, fyzici s prekvapením zistili, že je veľmi blízko hmotnosti protónu. Navyše sa ukázalo, že protóny a neutróny „cítia“ jadrovú interakciu presne rovnakým spôsobom. Tak identické, že z hľadiska jadrových síl možno protón a neutrón považovať za dva prejavy tej istej častice – nukleónu: protón je elektricky nabitý nukleón a neutrón je neutrálny nukleón. Vymeňte protóny za neutróny a jadrové sily si (takmer) nič nevšimnú.

Fyzici vyjadrujú túto vlastnosť prírody ako symetriu - jadrová interakcia je symetrická vzhľadom na nahradenie protónov neutrónmi, rovnako ako motýľ je symetrická vzhľadom na nahradenie ľavého pravým. Táto symetria, okrem toho, že zohrávala dôležitú úlohu v jadrovej fyzike, bola vlastne prvým náznakom, že nukleóny majú zaujímavú vnútornú štruktúru. Je pravda, že v 30. rokoch si fyzici tento náznak neuvedomili.

Pochopenie prišlo až neskôr. Začalo to tým, že v 40. – 50. rokoch 20. storočia pri reakciách zrážok protónov s jadrami rôznych prvkov vedci s prekvapením objavovali stále viac nových častíc. Nie protóny, nie neutróny, nie dovtedy objavené pí-mezóny, ktoré držia nukleóny v jadrách, ale nejaké úplne nové častice. Napriek všetkej rozmanitosti mali tieto nové častice dve spoločné vlastnosti. Po prvé, rovnako ako nukleóny sa veľmi ochotne podieľali na jadrových interakciách - teraz sa takéto častice nazývajú hadróny. A po druhé, boli mimoriadne nestabilné. Najnestabilnejšie z nich sa rozpadli na iné častice len za bilióninu nanosekundy, pričom ani nestihli preletieť veľkosťou atómového jadra!

Hadrónová „zoo“ bola dlho úplným neporiadkom. Na konci 50. rokov sa už fyzici naučili pomerne veľa rôznych typov hadrónov, začali ich medzi sebou porovnávať a zrazu v ich vlastnostiach videli určitú všeobecnú symetriu, až periodicitu. Predpokladalo sa, že vo všetkých hadrónoch (vrátane nukleónov) sú nejaké jednoduché objekty nazývané „kvarky“. Kombináciou kvarkov rôznymi spôsobmi je možné získať rôzne hadróny a presne rovnakého typu a s rovnakými vlastnosťami, aké boli objavené v experimente.

Čo robí protón protónom?

Po tom, čo fyzici objavili kvarkovú štruktúru hadrónov a dozvedeli sa, že kvarky sa vyskytujú v niekoľkých rôznych variantoch, bolo jasné, že z kvarkov možno skonštruovať mnoho rôznych častíc. Takže nikoho neprekvapilo, keď nasledujúce experimenty pokračovali v hľadaní nových hadrónov jeden po druhom. Ale medzi všetkými hadrónmi bola objavená celá rodina častíc, ktorá pozostávala, rovnako ako protón, iba z dvoch u- kvarky a jeden d-kvark. Akýsi „brat“ protónu. A tu čakalo fyzikov prekvapenie.

Najprv urobme jedno jednoduché pozorovanie. Ak máme niekoľko predmetov pozostávajúcich z rovnakých „tehál“, potom ťažšie predmety obsahujú viac „koštičiek“ a ľahšie predmety ich obsahujú menej. Ide o veľmi prirodzený princíp, ktorý možno nazvať princípom kombinácie alebo princípom nadstavby a dokonale funguje ako v bežnom živote, tak aj vo fyzike. Prejavuje sa to dokonca aj v štruktúre atómových jadier – veď ťažšie jadrá sa jednoducho skladajú z väčšieho počtu protónov a neutrónov.

Na úrovni kvarkov však tento princíp vôbec nefunguje a, pravdaže, fyzici ešte úplne neprišli na to, prečo. Ukazuje sa, že ťažkí bratia protónu tiež pozostávajú z rovnakých kvarkov ako protón, hoci sú jeden a pol alebo dokonca dvakrát ťažšie ako protón. Líšia sa od protónu (a líšia sa od seba) nie zloženie, a vzájomné umiestnenie kvarky, podľa stavu, v ktorom sú tieto kvarky navzájom relatívne. Stačí zmeniť vzájomnú polohu kvarkov – a z protónu dostaneme ďalšiu, citeľne ťažšiu, časticu.

Čo sa stane, ak aj tak vezmete a nazbierate viac ako tri kvarky spolu? Vznikne nová ťažká častica? Prekvapivo to nebude fungovať - ​​kvarky sa rozdelia na tri a premenia sa na niekoľko rozptýlených častíc. Z nejakého dôvodu príroda „nemá rada“ spájanie mnohých kvarkov do jedného celku! Len veľmi nedávno, doslova v posledných rokoch, sa začali objavovať náznaky, že nejaké multikvarkové častice existujú, ale to len zdôrazňuje, ako veľmi ich príroda nemá rada.

Z tejto kombinatoriky vyplýva veľmi dôležitý a hlboký záver – hmotnosť hadrónov vôbec nepozostáva z hmotnosti kvarkov. Ale ak sa hmotnosť hadrónu dá zvýšiť alebo znížiť jednoduchou rekombináciou tehál, z ktorých pozostáva, potom to nie sú samotné kvarky, ktoré sú zodpovedné za hmotnosť hadrónov. A skutočne, v následných experimentoch bolo možné zistiť, že hmotnosť samotných kvarkov je len asi dve percentá hmotnosti protónu a zvyšok gravitácie vzniká vďaka silovému poľu (špeciálne častice - gluóny), ktoré viazať kvarky dohromady. Zmenou relatívnej polohy kvarkov, napríklad ich oddialením od seba, tým zmeníme gluónový oblak, ktorý bude hmotnejší, a preto sa hmotnosť hadrónu zväčší (obr. 1).

Čo sa deje vo vnútri rýchlo sa pohybujúceho protónu?

Všetko opísané vyššie sa týka stacionárneho protónu v reči fyzikov, toto je štruktúra protónu v jeho pokojovom rámci. V experimente však bola štruktúra protónu objavená najskôr za iných podmienok – vo vnútri rýchle lietanie protón.

Koncom 60. rokov minulého storočia sa pri pokusoch o zrážkach častíc na urýchľovačoch zistilo, že protóny pohybujúce sa rýchlosťou blízkou svetla sa správali tak, akoby energia v nich nebola rozložená rovnomerne, ale bola sústredená v jednotlivých kompaktných objektoch. Slávny fyzik Richard Feynman navrhol nazvať tieto zhluky hmoty vo vnútri protónov partons(z angličtiny časť -časť).

Následné experimenty skúmali mnohé vlastnosti partónov – napríklad ich elektrický náboj, ich počet a podiel protónovej energie, ktorú každý nesie. Ukazuje sa, že nabité partóny sú kvarky a neutrálne partóny sú gluóny. Áno, tie isté gluóny, ktoré v pokojovom rámci protónov jednoducho „slúžili“ kvarkom a priťahovali ich k sebe, sú teraz nezávislými partónmi a spolu s kvarkami nesú „hmotu“ a energiu rýchlo sa pohybujúceho protónu. Experimenty ukázali, že približne polovica energie je uložená v kvarkoch a polovica v gluónoch.

Partóny sa najpohodlnejšie študujú pri zrážkach protónov s elektrónmi. Faktom je, že na rozdiel od protónu sa elektrón nezúčastňuje silných jadrových interakcií a jeho kolízia s protónom vyzerá veľmi jednoducho: elektrón na veľmi krátky čas vyžaruje virtuálny fotón, ktorý sa zrúti do nabitého partónu a v konečnom dôsledku vygeneruje tzv. veľké množstvo častíc (obr. 2). Dá sa povedať, že elektrón je výborný skalpel na „otváranie“ protónu a jeho rozdelenie na samostatné časti – avšak len na veľmi krátky čas. Keď vieme, ako často sa takéto procesy vyskytujú v urýchľovači, môžeme merať počet partónov vo vnútri protónu a ich náboje.

Kto sú vlastne Partonovci?

A tu sa dostávame k ďalšiemu úžasnému objavu, ktorý fyzici urobili pri štúdiu zrážok elementárnych častíc pri vysokých energiách.

Za normálnych podmienok má otázka, z čoho pozostáva ten či onen objekt, univerzálnu odpoveď pre všetky referenčné systémy. Napríklad molekula vody pozostáva z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka – a je jedno, či sa pozeráme na nehybnú alebo pohyblivú molekulu. Toto pravidlo sa však zdá byť také prirodzené! - je porušená, ak hovoríme o elementárnych časticiach pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. V jednom referenčnom rámci môže komplexná častica pozostávať z jednej sady podčastíc a v inej referenčnej sústave z inej. Ukazuje sa, že zloženie je relatívny pojem!

Ako to môže byť? Kľúčová je tu jedna dôležitá vlastnosť: počet častíc v našom svete nie je fixný – častice sa môžu rodiť a zanikať. Napríklad, ak stlačíte k sebe dva elektróny s dostatočne vysokou energiou, potom sa okrem týchto dvoch elektrónov môže zrodiť buď fotón, alebo pár elektrón-pozitrón, prípadne nejaké ďalšie častice. Toto všetko umožňujú kvantové zákony a presne to sa deje v skutočných experimentoch.

Ale tento „zákon nezachovania“ častíc funguje v prípade kolíziíčastice. Ako sa stane, že ten istý protón z rôznych uhlov pohľadu vyzerá, že pozostáva z inej sady častíc? Ide o to, že protón nie sú len tri kvarky dohromady. Medzi kvarkami je gluónové silové pole. Vo všeobecnosti je silové pole (ako je gravitačné alebo elektrické pole) druh hmotnej „entity“, ktorá preniká priestorom a umožňuje časticiam, aby na seba navzájom silne ovplyvňovali. V kvantovej teórii sa pole skladá aj z častíc, aj keď špeciálnych – virtuálnych. Počet týchto častíc nie je pevne stanovený;

Odpočinok Protón si možno skutočne predstaviť ako tri kvarky, medzi ktorými preskakujú gluóny. Ak sa však na ten istý protón pozrieme z iného vzťažného rámca, akoby z okna okoloidúceho „relativistického vlaku“, uvidíme úplne iný obraz. Tie virtuálne gluóny, ktoré zlepili kvarky dohromady, sa budú zdať menej virtuálne, „skutočnejšie“ častice. Samozrejme, stále sa rodia a pohlcujú kvarky, no zároveň nejaký čas žijú samy a lietajú vedľa kvarkov ako skutočné častice. To, čo v jednej referenčnej sústave vyzerá ako jednoduché silové pole, sa v inej sústave mení na prúd častíc! Všimnite si, že sa nedotýkame samotného protónu, ale iba sa naň pozeráme z iného referenčného rámca.

Ďalej viac. Čím je rýchlosť nášho „relativistického vlaku“ bližšie k rýchlosti svetla, tým úžasnejší obraz uvidíme vo vnútri protónu. Ako sa blížime k rýchlosti svetla, všimneme si, že vo vnútri protónu je stále viac gluónov. Okrem toho sa niekedy rozdelia na páry kvark-antikvark, ktoré tiež lietajú v blízkosti a sú tiež považované za partóny. Výsledkom je, že ultrarelativistický protón, t. j. protón pohybujúci sa voči nám rýchlosťou veľmi blízkou rýchlosti svetla, sa objavuje vo forme vzájomne sa prenikajúcich oblakov kvarkov, antikvarkov a gluónov, ktoré letia spolu a zdá sa, že sa navzájom podporujú (obr. 3).

Čitateľ znalý teórie relativity môže mať obavy. Celá fyzika je založená na princípe, že každý proces prebieha rovnako vo všetkých inerciálnych vzťažných sústavách. Ale ukazuje sa, že zloženie protónu závisí od vzťažnej sústavy, z ktorej ho pozorujeme?!

Áno, presne, ale to v žiadnom prípade neporušuje princíp relativity. Výsledky fyzikálnych procesov – napríklad, ktoré častice a koľko ich vznikne v dôsledku kolízie – sa ukážu ako invariantné, hoci zloženie protónu závisí od referenčného rámca.

Táto situácia, na prvý pohľad neobvyklá, ale spĺňajúca všetky fyzikálne zákony, je schematicky znázornená na obrázku 4. Ten ukazuje, ako zrážka dvoch protónov s vysokou energiou vyzerá v rôznych vzťažných sústavách: v pokojovej sústave jedného protónu, v ťažisko rámca, v kľudovom rámci iného protónu . Interakcia medzi protónmi sa uskutočňuje prostredníctvom kaskády štiepiacich gluónov, ale iba v jednom prípade sa táto kaskáda považuje za „vnútro“ jedného protónu, v inom prípade sa považuje za súčasť iného protónu a v treťom je to jednoducho nejaký objekt, ktorý sa vymieňa medzi dvoma protónmi. Táto kaskáda existuje, je skutočná, ale ktorej časti procesu by sa mala pripísať, závisí od referenčného rámca.

3D portrét protónu

Všetky výsledky, o ktorých sme práve hovorili, boli založené na experimentoch vykonaných už dávno - v 60-70 rokoch minulého storočia. Zdalo by sa, že odvtedy malo byť všetko preštudované a všetky otázky by mali nájsť odpovede. Ale nie – štruktúra protónu stále zostáva jednou z najzaujímavejších tém časticovej fyziky. Navyše v posledných rokoch záujem oň opäť vzrástol, pretože fyzici prišli na to, ako získať „trojrozmerný“ portrét rýchlo sa pohybujúceho protónu, čo sa ukázalo byť oveľa náročnejšie ako portrét stacionárneho protónu.

Klasické experimenty na zrážkach protónov vypovedajú len o počte partónov a ich rozdelení energie. V takýchto experimentoch partóny participujú ako nezávislé objekty, čo znamená, že z nich nie je možné zistiť, ako sa partóny nachádzajú voči sebe navzájom, alebo ako presne sa sčítavajú do protónu. Dá sa povedať, že dlho mali fyzici k dispozícii len „jednorozmerný“ portrét rýchlo sa pohybujúceho protónu.

Na zostavenie skutočného, ​​trojrozmerného portrétu protónu a zistenie rozloženia partónov vo vesmíre sú potrebné oveľa rafinovanejšie experimenty ako tie, ktoré boli možné pred 40 rokmi. Fyzici sa naučili vykonávať takéto experimenty pomerne nedávno, doslova v poslednom desaťročí. Uvedomili si, že medzi obrovským množstvom rôznych reakcií, ktoré sa vyskytujú, keď sa elektrón zrazí s protónom, existuje jedna špeciálna reakcia - hlboký virtuálny Comptonov rozptyl, - čo nám môže povedať o trojrozmernej štruktúre protónu.

Vo všeobecnosti je Comptonov rozptyl alebo Comptonov efekt elastická zrážka fotónu s časticou, napríklad protónom. Vyzerá to takto: priletí fotón, je pohltený protónom, ktorý na krátky čas prejde do excitovaného stavu a potom sa vráti do pôvodného stavu, pričom vyžiari fotón nejakým smerom.

Comptonov rozptyl obyčajných svetelných fotónov nevedie k ničomu zaujímavému – je to jednoducho odraz svetla od protónu. Aby vnútorná štruktúra protónu „vstúpila do hry“ a rozloženie kvarkov bolo „pocítené“, je potrebné použiť fotóny s veľmi vysokou energiou – miliardkrát viac ako v bežnom svetle. A práve takéto fotóny – aj keď virtuálne – ľahko generuje dopadajúci elektrón. Ak teraz skombinujeme jedno s druhým, dostaneme hlboký virtuálny Comptonov rozptyl (obr. 5).

Hlavnou črtou tejto reakcie je, že neničí protón. Dopadnutý fotón protón nielen zasiahne, ale akoby ho opatrne nahmatá a potom odletí. Smer, ktorým odletí a akú časť energie mu protón odoberie, závisí od štruktúry protónu, od relatívneho usporiadania partónov v jeho vnútri. Štúdiom tohto procesu je preto možné obnoviť trojrozmerný vzhľad protónu, akoby „vytesal jeho sochu“.

Je pravda, že to je pre experimentálneho fyzika veľmi ťažké. Požadovaný proces sa vyskytuje pomerne zriedkavo a je ťažké ho zaregistrovať. Prvé experimentálne údaje o tejto reakcii boli získané až v roku 2001 na urýchľovači HERA v nemeckom akcelerátorovom komplexe DESY v Hamburgu; experimentátori teraz spracovávajú novú sériu údajov. Už dnes však teoretici na základe prvých údajov kreslia trojrozmerné rozloženie kvarkov a gluónov v protóne. Z experimentu napokon začala „vychádzať“ fyzikálna veličina, o ktorej fyzici predtým len predpokladali.

Čakajú nás v tejto oblasti nejaké nečakané objavy? Je pravdepodobné, že áno. Pre ilustráciu povedzme, že v novembri 2008 sa objavil zaujímavý teoretický článok, ktorý tvrdí, že rýchlo sa pohybujúci protón by nemal vyzerať ako plochý disk, ale ako bikonkávna šošovka. Stáva sa to preto, že partóny sediace v centrálnej oblasti protónu sú stlačené silnejšie v pozdĺžnom smere ako partóny sediace na okrajoch. Bolo by veľmi zaujímavé otestovať tieto teoretické predpovede experimentálne!

Prečo je to všetko pre fyzikov zaujímavé?

Prečo fyzici potrebujú presne vedieť, ako je hmota rozložená vo vnútri protónov a neutrónov?

Po prvé, vyžaduje si to samotná logika vývoja fyziky. Na svete existuje veľa úžasne zložitých systémov, s ktorými si moderná teoretická fyzika zatiaľ úplne nevie poradiť. Hadróny sú jedným z takýchto systémov. Pochopením štruktúry hadrónov zdokonaľujeme schopnosti teoretickej fyziky, ktorá sa môže ukázať ako univerzálna a možno pomôže v niečom úplne inom, napríklad pri štúdiu supravodičov alebo iných materiálov s neobvyklými vlastnosťami.

Po druhé, existuje priamy prínos pre jadrovú fyziku. Napriek takmer storočnej histórii štúdia atómových jadier teoretici stále nepoznajú presný zákon interakcie medzi protónmi a neutrónmi.

Tento zákon musia sčasti uhádnuť na základe experimentálnych údajov a sčasti ho zostrojiť na základe poznatkov o štruktúre nukleónov. Tu pomôžu nové údaje o trojrozmernej štruktúre nukleónov.

Po tretie, pred niekoľkými rokmi boli fyzici schopní získať nie menej ako nový súhrnný stav hmoty - kvark-gluónovú plazmu. V tomto stave kvarky nesedia vo vnútri jednotlivých protónov a neutrónov, ale voľne sa pohybujú po celom zhluku jadrovej hmoty. Dá sa to dosiahnuť napríklad takto: ťažké jadrá sa urýchľujú v urýchľovači na rýchlosť veľmi blízku rýchlosti svetla a potom sa čelne zrazia. Pri tejto zrážke vznikajú na veľmi krátky čas teploty biliónov stupňov, ktoré roztavia jadrá na kvark-gluónovú plazmu. Ukazuje sa teda, že teoretické výpočty tohto jadrového tavenia vyžadujú dobrú znalosť trojrozmernej štruktúry nukleónov.

Napokon, tieto údaje sú pre astrofyziku veľmi potrebné. Keď ťažké hviezdy na konci svojho života vybuchnú, často za sebou zanechajú extrémne kompaktné objekty – neutrónové a možno aj kvarkové hviezdy. Jadro týchto hviezd pozostáva výlučne z neutrónov a možno aj studenej kvark-gluónovej plazmy. Takéto hviezdy sú už dávno objavené, ale čo sa deje v ich vnútri, možno len hádať. Takže dobré pochopenie rozdelenia kvarkov môže viesť k pokroku v astrofyzike.

, elektromagnetické a gravitačné

Protóny sa zúčastňujú termonukleárnych reakcií, ktoré sú hlavným zdrojom energie generovanej hviezdami. Najmä reakcie pp-cyklus, ktorý je zdrojom takmer všetkej energie vyžarovanej Slnkom, spočíva v spojení štyroch protónov do jadra hélia-4 s premenou dvoch protónov na neutróny.

Vo fyzike sa označuje protón p(alebo p+). Chemické označenie protónu (považovaného za kladný vodíkový ión) je H +, astrofyzikálne označenie je HII.

Otvorenie

Vlastnosti protónov

Pomer hmotností protónov a elektrónov rovný 1836,152 673 89(17) s presnosťou 0,002 % sa rovná hodnote 6π 5 = 1836,118...

Vnútornú štruktúru protónu prvýkrát experimentálne študoval R. Hofstadter štúdiom zrážok zväzku vysokoenergetických elektrónov (2 GeV) s protónmi (Nobelova cena za fyziku 1961). Protón pozostáva z ťažkého jadra (jadra) s polomerom cm, s vysokou hustotou hmoty a náboja, nesúceho ≈ 35 % (\displaystyle \cca 35\,\%) elektrický náboj protónu a relatívne riedky obal, ktorý ho obklopuje. Vo vzdialenosti od ≈ 0 , 25 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \cca 0(,)25\cdot 10^(-13)) predtým ≈ 1 , 4 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \cca 1(,)4\cdot 10^(-13)) cm tento obal pozostáva hlavne z virtuálnych ρ - a π -mezónov nesúcich ≈ 50 % (\displaystyle \cca 50\,\%) elektrický náboj protónu, potom do diaľky ≈ 2 , 5 ⋅ 10 − 13 (\displaystyle \cca 2(,)5\cdot 10^(-13)) cm rozširuje obal virtuálnych ω - a π -mezónov, nesúcich ~ 15 % elektrického náboja protónu.

Tlak v strede protónu vytvorený kvarkami je asi 10 35 Pa (10 30 atmosfér), teda vyšší ako tlak vo vnútri neutrónových hviezd.

Magnetický moment protónu sa meria meraním pomeru rezonančnej frekvencie precesie magnetického momentu protónu v danom rovnomernom magnetickom poli a cyklotrónovej frekvencie kruhovej dráhy protónu v rovnakom poli.

S protónom sú spojené tri fyzikálne veličiny, ktoré majú rozmer dĺžky:

Merania polomeru protónov pomocou bežných atómov vodíka, uskutočňované rôznymi metódami od 60. rokov 20. storočia, viedli (CODATA -2014) k výsledku 0,8751 ± 0,0061 femtometer(1 fm = 10 -15 m). Prvé experimenty s miónovými atómami vodíka (kde je elektrón nahradený miónom) poskytli o 4 % menší výsledok pre tento polomer: 0,84184 ± 0,00067 fm. Dôvody tohto rozdielu sú stále nejasné.

Takzvaný slabý náboj protónu Q w ≈ 1 − 4 sin 2 θ W, ktorý určuje jeho účasť na slabých interakciách prostredníctvom výmeny Z 0 bozón (podobne ako elektrický náboj častice určuje jej účasť na elektromagnetických interakciách výmenou fotónu) je 0,0719 ± 0,0045, podľa experimentálnych meraní porušenia parity počas rozptylu polarizovaných elektrónov na protónoch. Nameraná hodnota je v rámci experimentálnej chyby konzistentná s teoretickými predpoveďami štandardného modelu (0,0708 ± 0,0003).

Stabilita

Voľný protón je stabilný, experimentálne štúdie neodhalili žiadne známky jeho rozpadu (dolná hranica životnosti je 2,9⋅10 29 rokov bez ohľadu na kanál rozpadu, 8,2⋅10 33 rokov pre rozpad na pozitrónový a neutrálny pión, 6,6⋅ 10 33 rokov na rozpad na pozitívny mión a neutrálny pion). Keďže protón je najľahší z baryónov, stabilita protónu je dôsledkom zákona zachovania baryónového čísla - protón sa nemôže rozpadnúť na žiadne ľahšie častice (napríklad na pozitrón a neutríno) bez porušenia tohto zákona. Mnohé teoretické rozšírenia štandardného modelu však predpovedajú procesy (zatiaľ nepozorované), ktoré by viedli k nezachovaniu baryónového čísla, a teda k rozpadu protónov.

Protón viazaný v atómovom jadre je schopný zachytiť elektrón z elektrónového K-, L- alebo M-obalu atómu (tzv. „elektrónový záchyt“). Protón atómového jadra sa po absorpcii elektrónu zmení na neutrón a súčasne vyžaruje neutríno: p+e − →+ν e . „Diera“ v K-, L- alebo M-vrstve vytvorená záchytom elektrónov je vyplnená elektrónom z jednej z prekrývajúcich sa elektrónových vrstiev atómu, ktorý emituje charakteristické röntgenové lúče zodpovedajúce atómovému číslu. Z− 1 a/alebo Augerove elektróny. Je známych viac ako 1000 izotopov zo 7
4 až 262
105, rozpadá sa záchytom elektrónov. Pri dostatočne vysokých dostupných energiách rozpadu (vyššie 2m e c 2 ≈ 1,022 MeV) otvorí sa konkurenčný rozpadový kanál - rozpad pozitrónu p → +e ++ν e . Treba zdôrazniť, že tieto procesy sú možné len pre protón v niektorých jadrách, kde sa chýbajúca energia dopĺňa prechodom vzniknutého neutrónu do nižšieho jadrového obalu; pre voľný protón sú zakázané zákonom o zachovaní energie.

Zdrojom protónov v chémii sú minerálne (dusičná, sírová, fosforečná a iné) a organické (mravčia, octová, šťaveľová a iné) kyseliny. Vo vodnom roztoku sú kyseliny schopné disociácie s elimináciou protónu za vzniku hydroniového katiónu.

V plynnej fáze sa protóny získavajú ionizáciou – odstránením elektrónu z atómu vodíka. Ionizačný potenciál nevybudeného atómu vodíka je 13,595 eV. Keď je molekulárny vodík ionizovaný rýchlymi elektrónmi pri atmosférickom tlaku a teplote miestnosti, na začiatku sa vytvorí ión molekulárneho vodíka (H 2 +) - fyzikálny systém pozostávajúci z dvoch protónov, ktoré držia spolu vo vzdialenosti 1,06 jeden elektrón. Stabilita takéhoto systému je podľa Paulinga spôsobená rezonanciou elektrónu medzi dvoma protónmi s „rezonančnou frekvenciou“ rovnajúcou sa 7·10 14 s −1. Keď teplota stúpne na niekoľko tisíc stupňov, zloženie produktov ionizácie vodíka sa mení v prospech protónov - H +.

Aplikácia

pozri tiež

Poznámky

1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Základné fyzikálne konštanty --- Kompletný zoznam
2. CODATA Hodnota: hmotnosť protónov
3. CODATA Hodnota: hmotnosť protónov v u
4. Ahmed S.; a kol. (2004). "Obmedzenia rozpadu nukleónov prostredníctvom neviditeľných režimov z observatória Sudbury Neutrino." Fyzické prehľadové listy. 92 (10): 102004. arXiv: hep-ex/0310030. Bibcode:2004PhRvL..92j2004A. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID.
5. CODATA Hodnota: ekvivalent energie protónovej hmotnosti v MeV
6. CODATA Hodnota: pomer hmotnosti protón-elektrón
7. , S. 67.
8. Hofstadter P.Štruktúra jadier a nukleónov // Phys. - 1963. - T. 81, č. 1. - S. 185-200. - ISSN. – URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/
9. Šchelkin K. I. Virtuálne procesy a štruktúra nukleónu // Fyzika mikrosveta - M.: Atomizdat, 1965. - S. 75.
10. Ždanov G. B. Elastický rozptyl, periférne interakcie a rezonancie // Vysokoenergetické častice. Vysoké energie vo vesmíre a laboratóriách - M.: Nauka, 1965. - S. 132.
11. Burkert V. D., Elouadrhiri L., Girod F. X. Rozloženie tlaku vo vnútri protónu // Príroda. - 2018. - máj (roč. 557, č. 7705). - S. 396-399. - DOI:10.1038/s41586-018-0060-z.
12. Bethe, G., Morrison F. Elementárna teória jadra. - M: IL, 1956. - S. 48.

Tento článok napísal Vladimir Gorunovič pre webovú stránku Wikiknowledge ešte predtým, ako bol podobný článok na webovej stránke Wikiknowledge upravený, čo skresľuje realitu. Teraz môžem slobodne písať pravdu iba na svojich stránkach a tiež na stránkach, ktoré to umožňujú.

• 2 Protón vo fyzike
• 2.1 Polomer protónov
• 2.2 Magnetický moment protónu
• 2.4 Protónová pokojová hmotnosť
• 2,5 Životnosť protónov
• 3 Protón v štandardnom modeli
• 4 Protón je elementárna častica
• 6 Protón - zhrnutie

1 protón (elementárna častica)

Proton- kvantové číslo elementárnej častice L=3/2 (spin = 1/2) - baryónová skupina, protónová podskupina, elektrický náboj +e (systematizácia podľa teórie poľa elementárnych častíc).

Protónová podskupina (základné a excitované stavy)

2 Protón vo fyzike

Protón - kvantové číslo elementárnej častice L=3/2 (spin = 1/2) - skupina baryónov, protónová podskupina, elektrický náboj +e (systematizácia podľa teórie poľa elementárnych častíc).
Podľa teórie poľa elementárnych častíc (teória postavená na vedeckom základe a jediná, ktorá dostala správne spektrum všetkých elementárnych častíc), protón pozostáva z rotujúceho polarizovaného striedavého elektromagnetického poľa s konštantnou zložkou. Všetky nepodložené tvrdenia štandardného modelu, že protón údajne pozostáva z kvarkov, nemajú nič spoločné s realitou. - Fyzika experimentálne dokázala, že protón má elektromagnetické polia a tiež gravitačné pole. Fyzika pred 100 rokmi brilantne uhádla, že elementárne častice nielenže majú elektromagnetické polia, ale sa z nich skladajú, ale až do roku 2010 nebolo možné vytvoriť teóriu. Teraz, v roku 2015, sa objavila aj teória gravitácie elementárnych častíc, ktorá stanovila elektromagnetickú povahu gravitácie a získala rovnice gravitačného poľa elementárnych častíc, odlišné od rovníc gravitácie, na základe ktorých nie jeden matematický rozprávka vo fyzike bola postavená.

Štruktúra elektromagnetického poľa protónu (E-konštantné elektrické pole, H-konštantné magnetické pole, striedavé elektromagnetické pole je označené žltou farbou)

Energetická bilancia (percento celkovej vnútornej energie):

• konštantné elektrické pole (E) - 0,346 %,
• konštantné magnetické pole (H) - 7,44 %,
• striedavé elektromagnetické pole - 92,21%.

Pomer medzi energiou sústredenou v konštantnom magnetickom poli protónu a energiou koncentrovanou v konštantnom elektrickom poli je 21,48. To vysvetľuje prítomnosť jadrových síl v protóne. Štruktúra protónu je znázornená na obrázku.

Elektrické pole protónu pozostáva z dvoch oblastí: vonkajšej oblasti s kladným nábojom a vnútornej oblasti so záporným nábojom. Rozdiel v nábojoch vonkajšej a vnútornej oblasti určuje celkový elektrický náboj protónu +e. Jeho kvantovanie je založené na geometrii a štruktúre elementárnych častíc.

A takto vyzerajú základné interakcie elementárnych častíc, ktoré skutočne existujú v prírode:

2.1 Polomer protónov

Teória poľa elementárnych častíc definuje polomer (r) častice ako vzdialenosť od stredu k bodu, v ktorom sa dosiahne maximálna hustota hmoty.

Pre protón to bude 3,4212 10 -16 m K tomu je potrebné pripočítať hrúbku vrstvy elektromagnetického poľa, výsledkom bude:

čo sa rovná 4,5616 10 -16 m Vonkajšia hranica protónu sa teda nachádza vo vzdialenosti 4,5616 10 -16 m od stredu hmotnosť, obsiahnutá v konštantných elektrických a konštantných magnetických poliach, v súlade s klasickou elektrodynamikou, je mimo tohto polomeru.

2.2 Magnetický moment protónu

Na rozdiel od kvantovej teórie teória poľa elementárnych častíc tvrdí, že magnetické polia elementárnych častíc nevznikajú rotáciou elektrických nábojov, ale existujú súčasne s konštantným elektrickým poľom ako konštantná zložka elektromagnetického poľa. Preto všetky elementárne častice s kvantovým číslom L>0 majú magnetické polia.

Teória poľa elementárnych častíc nepovažuje magnetický moment protónu za anomálny – jeho hodnotu určuje množina kvantových čísel do tej miery, do akej funguje kvantová mechanika v elementárnej častici.

Takže hlavný magnetický moment protónu tvoria dva prúdy:

• (+) s magnetickým momentom +2 eħ/m 0p c
• (-) s magnetickým momentom -0,5 eħ/m 0p s

Aby sme získali výsledný magnetický moment protónu, musíme sčítať oba momenty, vynásobiť percentom energie striedavého elektromagnetického poľa, vydelené 100 percentami a pridať spinovú zložku, výsledkom čoho je 1,3964237 eh/m 0p c. Aby sme mohli premeniť na obyčajné jadrové magnetóny, výsledné číslo musíme vynásobiť dvomi – nakoniec máme 2,7928474.

2.3 Elektrické pole protónu

2.3.1 Elektrické pole protónového vzdialeného poľa

S rozvojom fyziky sa zmenili poznatky fyziky o štruktúre elektrického poľa protónov. Pôvodne sa verilo, že elektrické pole protónu je pole bodového elektrického náboja +e. Pre toto pole bude:
potenciál elektrického poľa protónu v bode (A) vo vzdialenej zóne (r >> r p) je presne rovnaký v systéme SI:

sila elektrického poľa E protónu vo vzdialenej zóne (r >> r p) je presne rovnaká v systéme SI:

Kde n = r/|r| - jednotkový vektor od protónového stredu v smere pozorovacieho bodu (A), r - vzdialenosť od protónového stredu k pozorovaciemu bodu, e - elementárny elektrický náboj, vektory sú tučne, ε 0 - elektrická konštanta, r p = Lh /(m 0~ c ) je polomer protónu v teórii poľa, L je hlavné kvantové číslo protónu v teórii poľa, h je Planckova konštanta, m 0~ je množstvo hmoty obsiahnuté v striedavom elektromagnetickom poli protón v pokoji, c je rýchlosť svetla. (V systéme GHS nie je žiadny multiplikátor. SI multiplikátor.)

Tieto matematické výrazy sú správne pre vzdialenú zónu protónového elektrického poľa: r >> r p, ale fyzika potom predpokladala, že ich platnosť sa rozšírila aj na blízku zónu, až do vzdialenosti rádovo 10-14 cm.

2.3.2 Elektrické náboje protónu

V prvej polovici 20. storočia fyzika verila, že protón má iba jeden elektrický náboj a ten sa rovná +e.

Po objavení sa kvarkovej hypotézy fyzika naznačila, že vo vnútri protónu nie je jeden, ale tri elektrické náboje: dva elektrické náboje +2e/3 a jeden elektrický náboj -e/3. Celkovo tieto poplatky dávajú +e. Bolo to urobené, pretože fyzika naznačila, že protón má zložitú štruktúru a pozostáva z dvoch up kvarkov s nábojom +2e/3 a jedného d kvarku s nábojom -e/3. Ale kvarky sa nenašli ani v prírode, ani v urýchľovačoch pri žiadnych energiách a zostávalo buď ich existenciu veriť (čo urobili zástancovia Štandardného modelu), alebo hľadať inú štruktúru elementárnych častíc. No zároveň sa vo fyzike neustále hromadili experimentálne informácie o elementárnych časticiach, a keď sa ich nahromadilo dosť na to, aby prehodnotili, čo sa urobilo, zrodila sa teória poľa elementárnych častíc.

Podľa teórie poľa elementárnych častíc je konštantné elektrické pole elementárnych častíc s kvantovým číslom L>0, nabitých aj neutrálnych, tvorené konštantnou zložkou elektromagnetického poľa zodpovedajúcej elementárnej častice (nie je to el. náboj, ktorý je hlavnou príčinou elektrického poľa, ako sa fyzika domnievala v 19. storočí, ale elektrické polia elementárnych častíc sú také, že zodpovedajú poliam elektrických nábojov). A pole elektrického náboja vzniká v dôsledku prítomnosti asymetrie medzi vonkajšou a vnútornou hemisférou, ktorá vytvára elektrické polia opačných znakov. Pre nabité elementárne častice sa vo vzdialenej zóne generuje pole elementárneho elektrického náboja a znamienko elektrického náboja je určené znamienkom elektrického poľa generovaného vonkajšou hemisférou. V blízkej zóne má toto pole zložitú štruktúru a je to dipól, ale nemá dipólový moment. Pre približný popis tohto poľa ako systému bodových nábojov bude potrebných aspoň 6 „kvarkov“ vo vnútri protónu – lepšie by bolo, keby sme vzali 8 „kvarkov“. Je jasné, že elektrické náboje takýchto „kvarkov“ budú úplne odlišné od toho, čo zvažuje štandardný model (so svojimi kvarkami).

Teória poľa elementárnych častíc zistila, že protón, ako každá iná kladne nabitá elementárna častica, môže mať dva elektrické náboje, a teda dva elektrické polomery:

• elektrický polomer vonkajšieho konštantného elektrického poľa (náboj q + =+1,25e) - r q+ = 4,39 10 -14 cm,
• elektrický polomer vnútorného konštantného elektrického poľa (náboj q - = -0,25e) - r q- = 2,45 10 -14 cm.

Tieto charakteristiky protónového elektrického poľa zodpovedajú rozdeleniu 1. teórie poľa elementárnych častíc. Fyzika ešte experimentálne nezistila presnosť tohto rozdelenia a ktoré rozdelenie najpresnejšie zodpovedá skutočnej štruktúre konštantného elektrického poľa protónu v blízkej zóne, ako aj štruktúre elektrického poľa protónu v blízkej zóne. zóna (vo vzdialenostiach rádovo rp). Ako vidíte, elektrické náboje sú svojou veľkosťou blízke nábojom predpokladaných kvarkov (+4/3e=+1,333e a -1/3e=-0,333e) v protóne, ale na rozdiel od kvarkov existujú elektromagnetické polia povahy, a s podobnou štruktúrou konštanty Každá kladne nabitá elementárna častica má elektrické pole bez ohľadu na veľkosť spinu a... .

Hodnoty elektrických polomerov pre každú elementárnu časticu sú jedinečné a sú určené hlavným kvantovým číslom v teórii poľa L, hodnotou pokojovej hmotnosti, percentom energie obsiahnutej v striedavom elektromagnetickom poli (kde funguje kvantová mechanika ) a štruktúra konštantnej zložky elektromagnetického poľa elementárnej častice (rovnaká pre všetky elementárne častice s danou hlavným kvantovým číslom L), generujúca externé konštantné elektrické pole. Elektrický polomer udáva priemernú polohu elektrického náboja rovnomerne rozloženého po obvode, čím vzniká podobné elektrické pole. Oba elektrické náboje ležia v rovnakej rovine (rovina rotácie striedavého elektromagnetického poľa elementárnej častice) a majú spoločný stred, ktorý sa zhoduje so stredom rotácie striedavého elektromagnetického poľa elementárnej častice.

2.3.3 Elektrické pole protónu v blízkej zóne

Keď poznáme veľkosť elektrických nábojov vo vnútri elementárnej častice a ich umiestnenie, je možné určiť nimi vytvorené elektrické pole.

Sila elektrického poľa E protónu v blízkej zóne (r~r p) v sústave SI, ako vektorový súčet, je približne rovná:

Kde n+ = r +/|r+ | - jednotkový vektor z blízkeho (1) alebo vzdialeného (2) bodu protónového náboja q + v smere pozorovacieho bodu (A), n- = r-/|r- | - jednotkový vektor z blízkeho (1) alebo vzdialeného (2) bodu protónového náboja q - v smere pozorovacieho bodu (A), r - vzdialenosť od stredu protónu k priemetu pozorovacieho bodu na protónová rovina, q + - vonkajší elektrický náboj +1,25e, q - - vnútorný elektrický náboj -0,25e, vektory sú zvýraznené tučným písmom, ε 0 - elektrická konštanta, z - výška pozorovacieho bodu (A) (vzdialenosť od pozorovacieho bodu do protónovej roviny), r 0 - normalizačný parameter. (V systéme GHS nie je žiadny multiplikátor. SI multiplikátor.)

Tento matematický výraz je súčtom vektorov a treba ho vypočítať podľa pravidiel sčítania vektorov, keďže ide o pole dvoch distribuovaných elektrických nábojov (+1,25e a -0,25e). Prvý a tretí termín zodpovedajú blízkym bodom nábojov, druhý a štvrtý - vzdialeným. Tento matematický výraz nefunguje vo vnútornej (kruhovej) oblasti protónu a generuje jeho konštantné polia (ak sú súčasne splnené dve podmienky: h/m 0~ c

Potenciál elektrického poľa protónu v bode (A) v blízkej zóne (r~r p) v sústave SI je približne rovný:

kde r 0 je normalizačný parameter, ktorého hodnota sa môže líšiť od r 0 vo vzorci E. (V systéme SGS nie je žiadny faktor.) Tento matematický výraz nefunguje vo vnútornej (kruhovej) oblasti protónu, generuje jeho konštantné polia (ak sú súčasne splnené dve podmienky: h/m 0~ c

Kalibrácia r 0 pre oba výrazy blízkeho poľa sa musí vykonať na hranici oblasti generujúcej konštantné protónové polia.

2.4 Protónová pokojová hmotnosť

V súlade s klasickou elektrodynamikou a Einsteinovým vzorcom je pokojová hmotnosť elementárnych častíc s kvantovým číslom L>0 vrátane protónu definovaná ako ekvivalent energie ich elektromagnetických polí:

kde určitý integrál preberá celé elektromagnetické pole elementárnej častice, E je intenzita elektrického poľa, H je intenzita magnetického poľa. Tu sa berú do úvahy všetky zložky elektromagnetického poľa: konštantné elektrické pole, konštantné magnetické pole, striedavé elektromagnetické pole. Tento malý, no fyzikálne veľmi objemný vzorec, na základe ktorého sú odvodené rovnice pre gravitačné pole elementárnych častíc, pošle nejednu rozprávkovú „teóriu“ do šrotu – preto niektorí ich autori neznášam to.

Ako vyplýva z vyššie uvedeného vzorca, hodnota pokojovej hmotnosti protónu závisí od podmienok, v ktorých sa protón nachádza. Teda umiestnením protónu do stáleho vonkajšieho elektrického poľa (napríklad atómového jadra) ovplyvníme E 2, čo ovplyvní hmotnosť protónu a jeho stabilitu. Podobná situácia nastane, keď sa protón umiestni do konštantného magnetického poľa. Preto sa niektoré vlastnosti protónu vo vnútri atómového jadra líšia od rovnakých vlastností voľného protónu vo vákuu, ďaleko od polí.

2,5 Životnosť protónov

Životnosť uvedená v tabuľke zodpovedá voľnému protónu.

Teória poľa elementárnych častíc tvrdí, že životnosť elementárnej častice závisí od podmienok, v ktorých sa nachádza. Umiestnením protónu do vonkajšieho poľa (napríklad elektrického) meníme energiu obsiahnutú v jeho elektromagnetickom poli. Môžete si zvoliť znamienko vonkajšieho poľa tak, aby sa vnútorná energia protónu zvýšila. Je možné zvoliť takú hodnotu intenzity vonkajšieho poľa, aby sa protón mohol rozpadnúť na neutrónové, pozitrónové a elektrónové neutríno, a preto sa protón stane nestabilným. Presne to sa pozoruje v atómových jadrách, v ktorých elektrické pole susedných protónov spúšťa rozpad protónu jadra. Keď sa do jadra zavedie dodatočná energia, rozpady protónov môžu začať pri nižšej intenzite vonkajšieho poľa.

3 Protón v štandardnom modeli

Uvádza sa, že protón je viazaný stav troch kvarkov: dvoch kvarkov „hore“ (u) a jedného „dole“ (d) (navrhovaná kvarková štruktúra protónu: uud) a neutrón má (štruktúra kvarku udd) . Blízkosť hmotností protónu a neutrónu sa vysvetľuje blízkosťou hmotností hypotetických kvarkov (u a d).

Keďže prítomnosť kvarkov v prírode nebola experimentálne dokázaná a existujú len nepriame dôkazy, ktoré možno interpretovať ako prítomnosť stôp kvarkov v niektorých interakciách elementárnych častíc, no možno ich interpretovať aj odlišne, tvrdenie Štandardného modelu že protón má kvarkovú štruktúru zostáva len neovereným predpokladom.

Akýkoľvek model, vrátane štandardného, ​​má právo predpokladať akúkoľvek štruktúru elementárnych častíc vrátane protónu, ale kým sa na urýchľovačoch neobjavia zodpovedajúce častice, z ktorých sa protón údajne skladá, tvrdenie modelu by sa malo považovať za nepreukázané.

Gellmann a Zweig v roku 1964 nezávisle navrhli hypotézu o existencii kvarkov, z ktorých sa podľa ich názoru skladajú hadróny. Nové častice boli vybavené zlomkovým elektrickým nábojom, ktorý v prírode neexistuje.

Leptóny NEVESTOVALI do tohto Quarkovho modelu, ktorý sa neskôr rozrástol na Štandardný model, a preto boli uznané ako skutočne elementárne častice.

Na vysvetlenie spojenia kvarkov v hadróne sa predpokladalo, že v prírode existuje silná interakcia a jej nosiče, gluóny. Gluóny, ako sa očakávalo v kvantovej teórii, boli vybavené jednotkovým spinom, identitou častice a antičastice a nulovou pokojovou hmotnosťou ako fotón.

V skutočnosti v prírode nie je silná interakcia hypotetických kvarkov, ale jadrových síl nukleónov - a to nie je to isté.

uplynulo 50 rokov. Kvarky sa v prírode nikdy nenašli a bola pre nás vynájdená nová matematická rozprávka s názvom „Uväznenie“. Mysliaci človek v tom ľahko vidí očividné ignorovanie základného zákona prírody – zákona zachovania energie. Ale to urobí mysliaci človek a rozprávači dostali výhovorku, ktorá sa im hodila, prečo v prírode nie sú voľné kvarky.

Gluóny sa v prírode tiež nenašli. Faktom je, že iba vektorové mezóny (a ešte jeden z excitovaných stavov mezónov) môžu mať jednotkový spin, ale každý vektorový mezón má antičasticu. - Preto vektorové mezóny nie sú vhodnými kandidátmi na „gluóny“. Prvých deväť excitovaných stavov mezónov zostáva, ale 2 z nich sú v rozpore so samotným štandardným modelom a štandardný model neuznáva ich existenciu v prírode a ostatné boli dobre preštudované fyzikou a nebude možné ich vynechať ako báječné gluóny. Existuje posledná možnosť: vydávať viazaný stav páru leptónov (miónov alebo tau leptónov) za gluón - ale aj to sa dá vypočítať počas rozpadu.

V prírode teda neexistujú žiadne gluóny, rovnako ako v prírode neexistujú žiadne kvarky a fiktívna silná interakcia.
Myslíte si, že priaznivci štandardného modelu tomu nerozumejú – stále tomu tak je, ale je len choré priznať omyl toho, čo robia už desaťročia. A preto vidíme nové matematické rozprávky....

4 Protón je elementárna častica

Fyzikálne predstavy o štruktúre protónu sa s vývojom fyziky menili.
Fyzika spočiatku považovala protón za elementárnu časticu až do roku 1964, keď GellMann a Zweig nezávisle navrhli kvarkovú hypotézu.

Pôvodne bol kvarkový model hadrónov obmedzený len na tri hypotetické kvarky a ich antičastice. To umožnilo správne popísať spektrum vtedy známych elementárnych častíc bez toho, aby sa brali do úvahy leptóny, ktoré nezapadali do navrhovaného modelu, a preto boli spolu s kvarkami uznané za elementárne. Cenou za to bolo zavedenie zlomkových elektrických nábojov, ktoré v prírode neexistujú. Potom, ako sa fyzika rozvíjala a boli k dispozícii nové experimentálne údaje, kvarkový model postupne rástol a transformoval sa, až sa nakoniec stal štandardným modelom.

Fyzici usilovne hľadali nové hypotetické častice. Hľadanie kvarkov sa uskutočňovalo v kozmickom žiarení, v prírode (keďže ich zlomkový elektrický náboj nemožno kompenzovať) a na urýchľovačoch.

Desaťročia plynuli, sila urýchľovačov rástla a výsledok hľadania hypotetických kvarkov bol vždy rovnaký: v prírode sa kvarky NENAŠLI.

Vidiac perspektívu smrti kvarkového (a potom štandardného) modelu, jeho priaznivci zostavili a priniesli ľudstvu rozprávku, že v niektorých experimentoch boli pozorované stopy kvarkov. - Túto informáciu nie je možné overiť - experimentálne dáta sú spracované pomocou štandardného modelu a vždy vydá niečo, čo potrebuje. História fyziky pozná príklady, keď namiesto jednej častice vkĺzla iná - poslednou takouto manipuláciou s experimentálnymi údajmi bolo prekĺznutie vektorového mezónu ako rozprávkového Higgsovho bozónu, údajne zodpovedného za hmotnosť častíc, no zároveň čas nevytvára ich gravitačné pole. Za tento podvod dokonca udelili Nobelovu cenu za fyziku. V našom prípade stojaté vlny striedavého elektromagnetického poľa, o ktorých boli napísané vlnové teórie elementárnych častíc, boli vkĺznuté ako rozprávkové kvarky a fyzika 21. storočia (reprezentovaná Teóriou gravitácie elementárnych častíc) nastolila prirodzený mechanizmus inerciálnych vlastností elementárnych častíc hmoty Vesmíru, nesúvisiaci s matematickou rozprávkou o Higgsovom bozóne.

Keď sa trón pod štandardným modelom opäť začal triasť, jeho priaznivci zložili a podstrčili ľudstvu novú rozprávku pre najmenších s názvom „Uväznenie“. Každý mysliaci človek v tom okamžite uvidí výsmech zákona zachovania energie – základného zákona prírody. Ale priaznivci Štandardného modelu nechcú vidieť PRAVDU.

5 Keď fyzika zostala vedou

Keď fyzika ešte zostala vedou, pravdu neurčoval názor väčšiny – ale experiment. To je základný rozdiel medzi FYZIKOU-VEDOU a matematickými rozprávkami vydávanými za fyziku.
Všetky experimenty na hľadanie hypotetických kvarkov (samozrejme okrem na-du-va-tel-stvo) jasne ukázali: V prírode NEEXISTUJE ŽIADNE kvarky.

Všetky nepodložené tvrdenia štandardného modelu, že protón údajne pozostáva z kvarkov, nemajú nič spoločné s realitou. - Fyzika experimentálne dokázala, že protón má elektromagnetické polia a tiež gravitačné pole. Fyzika pred 100 rokmi brilantne uhádla, že elementárne častice nielenže majú elektromagnetické polia, ale sa z nich skladajú, ale až do roku 2010 nebolo možné vytvoriť teóriu. Teraz, v roku 2015, sa objavila aj teória gravitácie elementárnych častíc, ktorá stanovila elektromagnetickú povahu gravitácie a získala rovnice gravitačného poľa elementárnych častíc, odlišné od rovníc gravitácie, na základe ktorých nie jeden matematický rozprávka vo fyzike bola postavená.

6 Protón - zhrnutie

V hlavnej časti článku som nehovoril podrobne o rozprávkových kvarkoch (s rozprávkovými gluónmi), keďže NIE SÚ v prírode a nemá zmysel zapĺňať si hlavu rozprávkami (zbytočne) - a bez základných prvkov základ: kvarky s gluónmi, štandardný model sa zrútil - čas jeho dominancie vo fyzike KOMPLET (pozri Štandardný model).

Miesto elektromagnetizmu v prírode môžete ignorovať, ako dlho chcete (stretnúť sa s ním na každom kroku: svetlo, tepelné žiarenie, elektrina, televízia, rádio, telefónna komunikácia vrátane mobilnej, internet, bez ktorého by ľudstvo nevedelo o existencia elementárnych častíc Teórie poľa, ...) a pokračovať vo vymýšľaní nových rozprávok, ktoré nahradia tie skrachované, a vydávajú ich za vedu; môžete s vytrvalosťou hodnou lepšieho použitia pokračovať v opakovaní naspamäť rozprávky štandardného modelu a kvantovej teórie; ale elektromagnetické polia v prírode boli, sú, budú a môžu sa v pohode zaobísť aj bez rozprávkových virtuálnych častíc, ako aj gravitácie vytváranej elektromagnetickými poľami, no rozprávky majú čas zrodu a čas, kedy prestávajú ovplyvňovať ľudí. Čo sa týka prírody, tá sa NESTARÁ o rozprávky ani inú literárnu činnosť človeka, aj keď sa za ne udeľuje Nobelova cena za fyziku. Príroda je štruktúrovaná tak, ako je štruktúrovaná, a úlohou FYZIKY-VIDY je jej porozumieť a opísať ju.

Teraz sa pred vami otvoril nový svet – svet dipólových polí, o existencii ktorých fyzika 20. storočia ani len netušila. Videli ste, že protón nemá jeden, ale dva elektrické náboje (vonkajší a vnútorný) a dva zodpovedajúce elektrické polomery. Videli ste, z čoho pozostáva zvyšok protónu a že pomyselný Higgsov bozón nefunguje (rozhodnutia Nobelovej komisie ešte nie sú prírodnými zákonmi...). Okrem toho veľkosť hmotnosti a životnosť závisí od polí, v ktorých sa protón nachádza. To, že je voľný protón stabilný, neznamená, že zostane stabilný vždy a všade (rozpady protónov sú pozorované v atómových jadrách). To všetko presahuje koncepty, ktoré dominovali fyzike v druhej polovici dvadsiateho storočia. - Fyzika 21. storočia - Nová fyzika sa posúva na novú úroveň poznania hmoty a čakajú nás nové zaujímavé objavy.