Proton -Proton

Proton
Struktura kwarkowa proton.svg
Zawartość kwarków w protonie. Przypisanie kolorów do poszczególnych kwarków jest dowolne, ale wszystkie trzy kolory muszą być obecne. W siłach między kwarkami pośredniczą gluony .
Klasyfikacja Barion
Kompozycja 2 kwarki górne (u), 1 kwark dolny (d)
Statystyka Fermionowy
Rodzina Hadron
Interakcje Grawitacja , elektromagnetyczna , słaba , silna
Symbol
p
,
p+
,
N+
,1
1
H+
Antycząstka Antyproton
Teoretyzowana William Prout (1815)
Odkryty Obserwowane jako H + przez Eugena Goldsteina (1886). Zidentyfikowany w innych jądrach (i nazwany) przez Ernesta Rutherforda (1917-1920).
Masa 1,672 621 923 69 (51) × 10 −27  kg
1.007 276 466 621 (53) Da
938.272 088 16 (29)  MeV/ c 2
Średnia żywotność >3,6 × 10 29  lat (stabilny)
Ładunek elektryczny +1  e
1,602 176 634 × 10 -19  C
Promień ładowania 0.8414(19)  fm
Elektryczny moment dipolowy <2,1 × 10-25 e  ( cm)
Polaryzowalność elektryczna 0,001 12 (4) fm 3
Moment magnetyczny 1,410 606 797 36 (60) × 10 −26  J⋅T −1
1,521 032 202 30 ( 46 ) × 10-3 μB 
2,792 847 344 63 ( 82)  μN
Polaryzowalność magnetyczna 1,9(5 ) × 10-4  fm 3
Obracać 1/2
Izospina 1/2
Parytet +1
Skondensowany Ja ( J P ) =1/2(1/2+ )

Proton to stabilna cząstka subatomowa , symbol
p
, H + lub 1 H + z dodatnim ładunkiem elektrycznym +1  e ładunku elementarnego . Jego masa jest nieco mniejsza niż masa neutronu i jest 1836 razy większa od masy elektronu ( stosunek mas protonu do elektronu ). Protony i neutrony, każdy o masie około jednej jednostki masy atomowej , są łącznie określane jako „ nukleony ” (cząstki obecne w jądrach atomowych).

W jądrze każdego atomu znajduje się jeden lub więcej protonów . Zapewniają przyciągającą elektrostatyczną siłę centralną, która wiąże elektrony atomowe. Liczba protonów w jądrze jest definiującą właściwością pierwiastka i jest określana jako liczba atomowa (reprezentowana przez symbol Z ). Ponieważ każdy pierwiastek ma unikalną liczbę protonów, każdy pierwiastek ma swoją unikalną liczbę atomową, która określa liczbę elektronów atomowych, a w konsekwencji właściwości chemiczne pierwiastka.

Słowo proton to po grecku „pierwsze”, a tę nazwę nadał jądru wodoru Ernest Rutherford w 1920 roku. W poprzednich latach Rutherford odkrył, że jądro wodoru (znane jako najlżejsze jądro) można wyekstrahować z jąder. azotu przez zderzenia atomowe. Protony były zatem kandydatem na cząstkę fundamentalną lub elementarną , a zatem budulcem azotu i wszystkich innych cięższych jąder atomowych.

Chociaż protony były pierwotnie uważane za cząstki elementarne, we współczesnym Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych protony są obecnie znane jako cząstki złożone, zawierające trzy kwarki walencyjne i razem z neutronami są obecnie klasyfikowane jako hadrony . Protony składają się z dwóch kwarków górnych o ładunku +2/3e i jeden kwark dolny ładunku −1/3mi . Masy resztkowe kwarków stanowią tylko około 1% masy protonu. Pozostała część masy protonu wynika z energii wiązania chromodynamiki kwantowej , która obejmuje energię kinetyczną kwarków i energię pól gluonowych , które łączą kwarki. Ponieważ protony nie są cząstkami fundamentalnymi, mają mierzalny rozmiar; średni kwadratowy promień ładunku protonu wynosi około 0,84–0,87 fm (lub0,84 × 10-15 do _0,87 x 10-15 m  ) . W 2019 r. dwa różne badania, przy użyciu różnych technik, wykazały, że promień ten wynosi 0,833 fm, z niepewnością ±0,010 fm.

Swobodne protony pojawiają się sporadycznie na Ziemi: burze mogą wytwarzać protony o energii do kilkudziesięciu MeV. W wystarczająco niskich temperaturach i energiach kinetycznych swobodne protony będą wiązać się z elektronami . Jednak charakter takich związanych protonów nie zmienia się i pozostają protonami. Szybki proton poruszający się przez materię będzie zwalniał w wyniku interakcji z elektronami i jądrami, dopóki nie zostanie wychwycony przez chmurę elektronową atomu. Rezultatem jest protonowany atom, który jest związkiem chemicznym wodoru. W próżni, gdy obecne są wolne elektrony, wystarczająco wolny proton może wychwycić pojedynczy wolny elektron, stając się neutralnym atomem wodoru , który chemicznie jest wolnym rodnikiem . Takie „wolne atomy wodoru” mają tendencję do reagowania chemicznie z wieloma innymi typami atomów przy wystarczająco niskich energiach. Gdy wolne atomy wodoru reagują ze sobą, tworzą neutralne cząsteczki wodoru (H 2 ), które są najczęstszym składnikiem molekularnym obłoków molekularnych w przestrzeni międzygwiazdowej .

Swobodne protony są rutynowo wykorzystywane w akceleratorach w terapii protonowej lub w różnych eksperymentach fizyki cząstek elementarnych, a najpotężniejszym przykładem jest Wielki Zderzacz Hadronów .

Opis

Nierozwiązany problem w fizyce :

W jaki sposób kwarki i gluony przenoszą spin protonów?

Protony są spin-1/2 fermiony i składają się z trzech kwarków walencyjnych, co czyni je barionami (podtyp hadronów ). Dwa kwarki górne i jeden kwark dolny protonu są utrzymywane razem przez silne oddziaływanie , w którym pośredniczą gluony . Współczesna perspektywa ma proton złożony z kwarków walencyjnych (górny, górny, dolny), gluonów i przejściowych par kwarków morskich . Protony mają dodatni rozkład ładunku, który zanika w przybliżeniu wykładniczo, ze średnim kwadratowym promieniem ładunku wynoszącym około 0,8 fm.

Zarówno protony, jak i neutrony to nukleony , które mogą być połączone siłą jądrową, tworząc jądra atomowe . Jądro najpowszechniejszego izotopu atomu wodoru (o symbolu chemicznym „H”) to samotny proton. Jądra ciężkich izotopów wodoru , deuteru i trytu , zawierają jeden proton związany odpowiednio z jednym i dwoma neutronami. Wszystkie inne typy jąder atomowych składają się z dwóch lub więcej protonów i różnej liczby neutronów.

Historia

Koncepcja cząsteczki podobnej do wodoru jako składnika innych atomów była rozwijana przez długi czas. Już w 1815 roku William Prout zaproponował, że wszystkie atomy składają się z atomów wodoru (które nazwał „protylami”), opierając się na uproszczonej interpretacji wczesnych wartości mas atomowych (patrz hipoteza Prouta ), co zostało obalone, gdy dokładniejsze wartości zostały podane. wymierzony.

W 1886 roku Eugen Goldstein odkrył promienie kanałowe (znane również jako promienie anodowe) i wykazał, że są to dodatnio naładowane cząstki (jony) wytworzone z gazów. Ponieważ jednak cząstki z różnych gazów miały różne wartości stosunku ładunku do masy (e/m), nie można było ich zidentyfikować z pojedynczą cząstką, w przeciwieństwie do ujemnych elektronów odkrytych przez JJ Thomsona . Wilhelm Wien w 1898 zidentyfikował jon wodorowy jako cząstkę o najwyższym stosunku ładunku do masy w zjonizowanych gazach.

Po odkryciu jądra atomowego przez Ernesta Rutherforda w 1911 roku Antonius van den Broek zaproponował, aby miejsce każdego pierwiastka w układzie okresowym (jego liczba atomowa) było równe jego ładunkowi jądrowemu. Zostało to potwierdzone eksperymentalnie przez Henry'ego Moseleya w 1913 roku przy użyciu widm rentgenowskich .

W 1917 r. (w eksperymentach ogłoszonych w 1919 i 1925 r.) Rutherford udowodnił, że jądro wodoru występuje w innych jądrach, co zwykle określa się jako odkrycie protonów. Eksperymenty te rozpoczęły się po tym, jak Rutherford zauważył, że gdy cząstki alfa zostały wystrzelone w powietrze (głównie azot), jego detektory scyntylacyjne wykazały sygnatury typowych jąder wodoru jako produktu. Po eksperymentach Rutherford prześledził reakcję azotu w powietrzu i stwierdził, że gdy cząstki alfa zostały wprowadzone do czystego gazowego azotu, efekt był większy. W 1919 Rutherford założył, że cząsteczka alfa jedynie wybija proton z azotu, zamieniając go w węgiel. Po obserwowaniu obrazów komory mgłowej Blacketta w 1925 roku Rutherford zdał sobie sprawę, że cząstka alfa została zaabsorbowana. Po wychwyceniu cząstki alfa wyrzucane jest jądro wodoru, w wyniku czego powstaje ciężki tlen, a nie węgiel – tj. liczba atomowa Z jądra jest raczej zwiększana niż zmniejszana (patrz początkowa proponowana reakcja poniżej). Była to pierwsza odnotowana reakcja jądrowa , 14 N + α → 17 O + p . Rutherford początkowo myślał o naszym współczesnym „p” w tym równaniu jako o jonie wodorowym, H + .

Zależnie od perspektywy, albo rok 1919 (kiedy zaobserwowano go doświadczalnie jako pochodzący z innego źródła niż wodór) albo rok 1920 (kiedy został rozpoznany i zaproponowany jako cząstka elementarna) można uznać za moment „odkrycia” protonu.

Rutherford wiedział, że wodór jest najprostszym i najlżejszym pierwiastkiem i był pod wpływem hipotezy Prouta, że ​​wodór jest budulcem wszystkich pierwiastków. Odkrycie, że jądro wodoru występuje w innych jądrach jako cząstka elementarna, skłoniło Rutherforda do nadania jądru wodoru H + specjalnej nazwy jako cząstki, ponieważ podejrzewał, że wodór, najlżejszy pierwiastek, zawiera tylko jedną z tych cząstek. Nazwał ten nowy podstawowy element budulcowy jądra protonem, po nijakiej liczbie pojedynczej greckiego słowa oznaczającego „pierwszy”, πρῶτον . Rutherford miał jednak na myśli również słowo protyle używane przez Prouta. Rutherford przemawiał w British Association for the Advancement of Science na spotkaniu w Cardiff , które rozpoczęło się 24 sierpnia 1920 roku. Na spotkaniu Oliver Lodge poprosił go o nową nazwę dla dodatniego jądra wodoru, aby uniknąć pomyłki z neutralnym atomem wodoru. Początkowo sugerował zarówno proton , jak i prouton (po Proucie). Rutherford poinformował później, że spotkanie zaakceptowało jego sugestię, aby jądro wodoru nazwać „protonem”, po słowie Prouta „protyl”. Pierwsze użycie słowa „proton” w literaturze naukowej pojawiło się w 1920 roku.

Stabilność

Nierozwiązany problem w fizyce :

Czy protony są zasadniczo stabilne? Czy też rozpadają się z skończonym czasem życia, jak przewidują niektóre rozszerzenia modelu standardowego?

Wolny proton (proton niezwiązany z nukleonami lub elektronami) jest stabilną cząstką, której nie zaobserwowano, aby rozpadał się spontanicznie na inne cząstki. Swobodne protony występują naturalnie w wielu sytuacjach, w których energie lub temperatury są wystarczająco wysokie, aby oddzielić je od elektronów, z którymi mają pewne powinowactwo. Wolne protony istnieją w plazmie , w której temperatury są zbyt wysokie, aby mogły łączyć się z elektronami . Swobodne protony o dużej energii i prędkości stanowią 90% promieni kosmicznych , które rozchodzą się w próżni na odległości międzygwiezdne. Wolne protony są emitowane bezpośrednio z jąder atomowych w niektórych rzadkich typach rozpadu radioaktywnego . Protony powstają również (wraz z elektronami i antyneutrinami ) z radioaktywnego rozpadu wolnych neutronów, które są niestabilne.

Nigdy nie zaobserwowano spontanicznego rozpadu wolnych protonów, dlatego protony są uważane za stabilne cząstki zgodnie z Modelem Standardowym. Jednak niektóre teorie wielkiej unifikacji (GUT) fizyki cząstek przewidują, że rozpad protonu powinien zachodzić z czasem życia od 10 31 do 10 36 lat, a badania eksperymentalne ustaliły dolne granice średniego czasu życia protonu dla różnych zakładanych produktów rozpadu.

Eksperymenty na detektorze Super-Kamiokande w Japonii wykazały niższe limity średniego czasu życia protonów6,6 × 10 33  lat dla rozpadu na antymion i pion neutralny , oraz8,2 × 10 33  lat dla rozpadu na pozyton i pion obojętny. W innym eksperymencie w Sudbury Neutrino Observatory w Kanadzie poszukiwano promieni gamma pochodzących z resztkowych jąder powstałych w wyniku rozpadu protonu z tlenu-16. Ten eksperyment został zaprojektowany w celu wykrycia rozpadu dowolnego produktu i ustalił dolną granicę czasu życia protonu2,1 × 10 29  lat .

Wiadomo jednak, że protony przekształcają się w neutrony w procesie wychwytywania elektronów (zwanym również odwrotnym rozpadem beta ). W przypadku wolnych protonów proces ten nie zachodzi samoistnie, a jedynie przy dostarczeniu energii. Równanie to:


p+
+
mi

n
+
ν
mi

Proces jest odwracalny; neutrony mogą przekształcić się z powrotem w protony poprzez rozpad beta , powszechną formę rozpadu radioaktywnego . W rzeczywistości wolny neutron rozpada się w ten sposób, ze średnim czasem życia około 15 minut. Proton może również przekształcić się w neutrony poprzez rozpad beta plus (rozpad β+).

Zgodnie z kwantową teorią pola średni właściwy czas życia protonów staje się skończony, gdy przyspieszają one z odpowiednim przyspieszeniem i maleje wraz ze wzrostem . Przyspieszenie powoduje nieznikające prawdopodobieństwo przejścia
p+

n
+
mi+
+
ν
mi
. Była to kwestia niepokojąca w późniejszych latach dziewięćdziesiątych, ponieważ jest to skalar, który może być mierzony przez
obserwatorów inercyjnych i koakcelerowanych . W układzie inercjalnym przyspieszający proton powinien rozpadać się zgodnie z powyższym wzorem. Jednak według koakcelerowanego obserwatora proton jest w spoczynku i dlatego nie powinien się rozpadać. Tę zagadkę można rozwiązać, zdając sobie sprawę, że w koakcelerowanym układzie występuje kąpiel termalna spowodowana efektem Fullinga-Daviesa-Unruha , nieodłącznym efektem kwantowej teorii pola. W tej kąpieli termicznej, której doświadcza proton, znajdują się elektrony i antyneutrina, z którymi proton może oddziaływać zgodnie z procesami: (i)
p+
+
mi

n
+
ν
, (ii)
p+
+
ν

n
+
mi+
oraz (iii)
p+
+
mi
+
ν

n
. Dodając wkłady każdego z tych procesów, należy uzyskać .

Kwarki i masa protonu

W chromodynamice kwantowej , współczesnej teorii sił jądrowych, większość masy protonów i neutronów wyjaśnia szczególna teoria względności . Masa protonu jest około 80-100 razy większa niż suma mas spoczynkowych jego trzech kwarków walencyjnych , podczas gdy gluony mają zerową masę spoczynkową. Dodatkowa energia kwarków i gluonów w protonie, w porównaniu z energią spoczynkową samych kwarków w próżni QCD , stanowi prawie 99% masy protonu. Masa spoczynkowa protonu jest więc niezmienną masą układu poruszających się kwarków i gluonów, z których składa się cząstka, i w takich układach nawet energia cząstek bezmasowych jest nadal mierzona jako część masy spoczynkowej protonu. system.

W odniesieniu do masy kwarków tworzących protony używane są dwa terminy: aktualna masa kwarka odnosi się do masy samego kwarka, podczas gdy składowa masa kwarka odnosi się do aktualnej masy kwarka powiększonej o masę pola cząstek gluonowych otaczającego protony. twaróg. Masy te mają zazwyczaj bardzo różne wartości. Energia kinetyczna kwarków, która jest konsekwencją uwięzienia, jest wkładem (patrz Masa w szczególnej teorii względności ). Korzystając z obliczeń sieciowej QCD , wkłady do masy protonu to kondensat kwarków (~9%, składający się z kwarków górnych i dolnych oraz morze wirtualnych dziwnych kwarków), energia kinetyczna kwarków (~32%), kinetyka gluonu energia (~37%), oraz anomalny udział gluonowy (~23%, obejmujący udział kondensatów wszystkich smaków twarogu).

Składowa funkcja falowa modelu kwarkowego dla protonu to

Dynamika wewnętrzna protonów jest skomplikowana, ponieważ są one determinowane przez wymianę gluonów przez kwarki i oddziaływanie z różnymi kondensatami próżniowymi. Kratowa QCD zapewnia w zasadzie sposób obliczania masy protonu bezpośrednio z teorii z dowolną dokładnością. Najnowsze obliczenia podają, że masa jest określana z dokładnością lepszą niż 4%, a nawet z dokładnością 1% (patrz Rysunek S5 w Dürr et al. ). Twierdzenia te są nadal kontrowersyjne, ponieważ obliczeń nie można jeszcze wykonać z kwarkami tak lekkimi, jak w świecie rzeczywistym. Oznacza to, że przewidywania znajdują się w procesie ekstrapolacji , co może wprowadzać błędy systematyczne. Trudno powiedzieć, czy te błędy są właściwie kontrolowane, ponieważ wielkości, które porównuje się do eksperymentu , to znane z góry masy hadronów .

Te ostatnie obliczenia są wykonywane przez masywne superkomputery i, jak zauważyli Boffi i Pasquini: „wciąż brakuje szczegółowego opisu struktury nukleonu, ponieważ… zachowanie na duże odległości wymaga nieperturbacyjnego i/lub numerycznego traktowania…” Więcej konceptualne podejścia do budowy protonów to: topologiczne podejście solitonowe pierwotnie stworzone przez Tony'ego Skyrme'a i dokładniejsze podejście AdS/QCD, które rozszerza je o teorię strun gluonów, różne modele inspirowane QCD, takie jak model worka i składowy kwark modelu, który był popularny w latach 80-tych, oraz reguły sum SVZ , które pozwalają na przybliżone obliczenia masy. Metody te nie mają tej samej dokładności, co metody QCD wykorzystujące metodę brutalnej siły, przynajmniej jeszcze nie.

Promień ładowania

Problem zdefiniowania promienia jądra atomowego (protonu) jest podobny do problemu promienia atomowego , w którym ani atomy, ani ich jądra nie mają określonych granic. Jednak jądro można modelować jako kulę z ładunkiem dodatnim do interpretacji eksperymentów z rozpraszaniem elektronów : ponieważ nie ma określonej granicy z jądrem, elektrony „widzą” szereg przekrojów, dla których można przyjąć średnią . Kwalifikacja „rms” (dla „ średnia kwadratowa ”) wynika z tego, że o rozproszeniu elektronów decyduje przekrój jądra, proporcjonalny do kwadratu promienia.

Międzynarodowo akceptowana wartość promienia ładunku protonu wynosi0,8768  fm (patrz rzędy wielkości w celu porównania z innymi rozmiarami). Wartość ta jest oparta na pomiarach protonu i elektronu (a mianowicie pomiarach rozpraszania elektronów i złożonych obliczeniach obejmujących przekrój poprzeczny rozpraszania oparty na równaniu Rosenblutha dla przekroju poprzecznego przeniesienia pędu ) oraz badaniach poziomów energii atomowej wodoru i deuteru.

Jednak w 2010 roku międzynarodowy zespół badawczy opublikował pomiar promienia ładunku protonu poprzez przesunięcie Lamba w mionowym wodorze ( egzotyczny atom złożony z protonu i ujemnie naładowanego mionu ). Ponieważ mion jest 200 razy cięższy od elektronu, jego długość fali de Broglie jest odpowiednio krótsza. Ten mniejszy orbital atomowy jest znacznie bardziej czuły na promień ładunku protonu, co pozwala na bardziej precyzyjny pomiar. Ich pomiar promienia średniokwadratowego ładunku protonu wynosi "0,841 84 (67) fm , co różni się o 5,0 odchyleń standardowych od wartości CODATA0,8768(69) fm ". W styczniu 2013 zaktualizowano wartość promienia ładunku protonu—0,840 87 (39) fm — opublikowano. Precyzja została poprawiona 1,7 razy, zwiększając znaczenie rozbieżności do 7 σ . Korekta CODATA 2014 nieznacznie zmniejszyła zalecaną wartość promienia protonu (obliczoną tylko przy użyciu pomiarów elektronów) do0,8751(61) fm , ale to pozostawia rozbieżność na poziomie 5,6 σ .

Gdyby nie znaleziono błędów w pomiarach lub obliczeniach, konieczne byłoby ponowne zbadanie najbardziej precyzyjnej i najlepiej przetestowanej fundamentalnej teorii na świecie: elektrodynamiki kwantowej . Promień protonu był zagadką od 2017 roku.

Rozdzielczość pojawiła się w 2019 roku, kiedy dwa różne badania, przy użyciu różnych technik obejmujących przesunięcie Lamba elektronu w wodorze i rozpraszanie elektron-proton, wykazały promień protonu równy 0,833 fm, z niepewnością ±0,010 fm, a 0,831 fm.

Promień protonu jest powiązany ze współczynnikiem kształtu i przekrojem poprzecznym przenoszenia pędu . Atomowy współczynnik kształtu G modyfikuje przekrój odpowiadający protonowi punktowemu.

Współczynnik kształtu atomowego jest powiązany z gęstością funkcji falowej celu:

Współczynnik kształtu można podzielić na współczynniki elektryczne i magnetyczne. Można je dalej zapisać jako liniowe kombinacje współczynników kształtu Diraca i Pauliego.

Ciśnienie wewnątrz protonu

Ponieważ proton składa się z kwarków ograniczonych przez gluony, można określić równoważne ciśnienie , które działa na kwarki. Pozwala to na obliczenie ich rozkładu w funkcji odległości od centrum przy użyciu rozpraszania Comptona elektronów wysokoenergetycznych (DVCS, dla głęboko wirtualnego rozpraszania Comptona ). Ciśnienie jest maksymalne w centrum, około 10 35  Pa, czyli jest większe niż ciśnienie wewnątrz gwiazdy neutronowej . Jest dodatnia (odpychająca) do promieniowej odległości około 0,6 fm, ujemna (atrakcyjna) na większych odległościach i bardzo słaba powyżej około 2 fm.

Promień ładunku w solwatowanym protonie, hydroniu

Promień uwodnionego protonu pojawia się w równaniu Borna do obliczania entalpii uwodnienia hydronu .

Oddziaływanie wolnych protonów ze zwykłą materią

Chociaż protony mają powinowactwo do przeciwnie naładowanych elektronów, jest to oddziaływanie stosunkowo niskoenergetyczne, a zatem swobodne protony muszą stracić wystarczającą prędkość (i energię kinetyczną ), aby ściśle się z nimi związać i związać z elektronami. Protony o wysokiej energii, przemierzając zwykłą materię, tracą energię w zderzeniach z jądrami atomowymi oraz w wyniku jonizacji atomów (usuwania elektronów), dopóki nie zostaną wystarczająco spowolnione, aby mogły zostać wychwycone przez chmurę elektronów w normalnym atomie.

Jednak w takim połączeniu z elektronem charakter związanego protonu nie ulega zmianie i pozostaje protonem. Przyciąganie wolnych protonów o niskiej energii do dowolnych elektronów obecnych w normalnej materii (takich jak elektrony w normalnych atomach) powoduje zatrzymanie wolnych protonów i utworzenie nowego wiązania chemicznego z atomem. Takie wiązanie zachodzi w każdej wystarczająco „zimnej” temperaturze (czyli porównywalnej do temperatury na powierzchni Słońca) iz dowolnym rodzajem atomu. Tak więc, w interakcji z dowolnym rodzajem normalnej (nieplazmowej) materii, wolne protony o niskiej prędkości nie pozostają wolne, ale są przyciągane przez elektrony w dowolnym atomie lub cząsteczce, z którą się stykają, powodując połączenie protonu i cząsteczki. O takich cząsteczkach mówi się wtedy, że są „ protonowane ”, a chemicznie są to po prostu związki wodoru, często naładowane dodatnio. Często w rezultacie stają się tak zwanymi kwasami Brønsteda . Na przykład proton wychwycony przez cząsteczkę wody w wodzie staje się hydronium , wodnym kationem H 3 O + .

Proton w chemii

Liczba atomowa

W chemii liczba protonów w jądrze atomu jest znana jako liczba atomowa , która określa pierwiastek chemiczny, do którego należy atom. Na przykład liczba atomowa chloru wynosi 17; oznacza to, że każdy atom chloru ma 17 protonów i że wszystkie atomy z 17 protonami są atomami chloru. Właściwości chemiczne każdego atomu są określone przez liczbę (ujemnie naładowanych) elektronów , która dla atomów obojętnych jest równa liczbie (dodatnich) protonów tak, że całkowity ładunek wynosi zero. Na przykład obojętny atom chloru ma 17 protonów i 17 elektronów, podczas gdy anion Cl ma 17 protonów i 18 elektronów, co daje łączny ładunek -1.

Jednak nie wszystkie atomy danego pierwiastka są identyczne. Liczba neutronów może się różnić, tworząc różne izotopy , a poziomy energii mogą się różnić, co skutkuje różnymi izomerami jądrowymi . Na przykład istnieją dwa stabilne izotopy chloru :35
17
Cl
z 35 - 17 = 18 neutronów i37
17
Cl
z 37 - 17 = 20 neutronów.

Jon wodorowy

Prot, najpowszechniejszy izotop wodoru, składa się z jednego protonu i jednego elektronu (nie zawiera neutronów). Termin „jon wodorowy” ( H+
) sugeruje, że atom H stracił jeden elektron, przez co pozostał tylko proton. Tak więc w chemii terminy „proton” i „jon wodorowy” (dla izotopu protu) są używane jako synonimy

Proton jest unikalnym rodzajem chemicznym, będącym nagim jądrem. W konsekwencji nie ma niezależnego istnienia w stanie skondensowanym i jest niezmiennie związany parą elektronów z innym atomem.

Ross Stewart, Proton: zastosowanie w chemii organicznej (1985, s. 1)

W chemii termin proton odnosi się do jonu wodorowego, H+
. Ponieważ liczbaatomowa wodoru wynosi 1, jon wodorowy nie ma elektronów i odpowiada nagiemu jądru składającemu sięz protonu (i 0 neutronów dla najliczniejszego izotopu protu 1
1
H
). Proton jest „nagim ładunkiem” o promieniu zaledwie 1/64 000 atomu wodoru, a więc jest niezwykle reaktywny chemicznie. Wolny proton ma zatem niezwykle krótki czas życia w układach chemicznych, takich jak ciecze i natychmiast reaguje z chmurą elektronową dowolnej dostępnej cząsteczki. W roztworze wodnym tworzy jon hydroniowy , H 3 O + , który z kolei jest dalej solwatowany przez cząsteczki wody w klastrach , takich jak [H 5 O 2 ] + i [H 9 O 4 ] + .

Przeniesienie H+
w reakcji kwasowo-zasadowej jest zwykle określany jako „przenoszenie protonów”. Kwas jest określany jako donor protonów, a zasada jako akceptor protonów. Podobnie terminy biochemiczne , takie jak pompa protonowa i kanał protonowy, odnoszą się do ruchu uwodnionego H+
jony.

Jon wytwarzany przez usunięcie elektronu z atomu deuteru jest znany jako deuteron, a nie proton. Podobnie, usunięcie elektronu z atomu trytu daje tryton.

Magnetyczny rezonans jądrowy protonów (NMR)

Również w chemii termin „ protonowy NMR ” odnosi się do obserwacji jąder wodoru-1 w (głównie organicznych ) cząsteczkach za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego . Ta metoda wykorzystuje skwantowany spinowy moment magnetyczny protonu, który wynika z jego momentu pędu (lub spinu ), który z kolei ma wielkość o połowę mniejszą od zredukowanej stałej Plancka . ( ). Nazwa odnosi się do badania protonów występujących w protium (atomach wodoru-1) w związkach i nie sugeruje, że w badanym związku występują wolne protony.

Narażenie ludzi

Pakiet Apollo Lunar Surface Experiments Packages (ALSEP) określił, że ponad 95% cząstek w wietrze słonecznym to elektrony i protony, w mniej więcej równych ilościach.

Ponieważ spektrometr wiatru słonecznego wykonywał ciągłe pomiary, możliwe było zmierzenie wpływu pola magnetycznego Ziemi na nadlatujące cząstki wiatru słonecznego. Przez około dwie trzecie każdej orbity Księżyc znajduje się poza polem magnetycznym Ziemi. W tamtych czasach typowa gęstość protonów wynosiła od 10 do 20 na centymetr sześcienny, przy czym większość protonów miała prędkości od 400 do 650 kilometrów na sekundę. Przez około pięć dni każdego miesiąca Księżyc znajduje się wewnątrz geomagnetycznego ogona Ziemi i zazwyczaj nie można wykryć żadnych cząstek wiatru słonecznego. Przez pozostałą część każdej orbity Księżyca Księżyc znajduje się w regionie przejściowym znanym jako osłona magnetyczna, gdzie ziemskie pole magnetyczne wpływa na wiatr słoneczny, ale nie wyklucza go całkowicie. W tym obszarze strumień cząstek jest zmniejszony, przy typowych prędkościach protonów od 250 do 450 kilometrów na sekundę. Podczas księżycowej nocy spektrometr był osłonięty przed wiatrem słonecznym przez Księżyc i nie mierzono żadnych cząstek wiatru słonecznego.

Protony mają również pozasłoneczne pochodzenie z galaktycznego promieniowania kosmicznego , gdzie stanowią około 90% całkowitego strumienia cząstek. Protony te często mają wyższą energię niż protony wiatru słonecznego, a ich intensywność jest znacznie bardziej jednorodna i mniej zmienna niż protonów pochodzących ze Słońca, których produkcja jest silnie uzależniona od zdarzeń protonów słonecznych, takich jak koronalne wyrzuty masy .

Przeprowadzono badania nad wpływem dawki protonów, typowej dla podróży kosmicznych , na zdrowie człowieka. Mówiąc bardziej konkretnie, istnieją nadzieje na zidentyfikowanie, które konkretne chromosomy są uszkodzone oraz na zdefiniowanie uszkodzeń podczas rozwoju raka w wyniku ekspozycji na protony. Inne badanie dotyczy określenia „wpływu ekspozycji na napromieniowanie protonowe na neurochemiczne i behawioralne punkty końcowe, w tym funkcjonowanie dopaminergiczne , indukowane amfetaminą warunkowane uczenie się niechęci do smaku oraz przestrzenne uczenie się i pamięć, mierzone przez labirynt wodny Morrisa . do międzyplanetarnego bombardowania protonami.Istnieje wiele innych badań dotyczących podróży kosmicznych, w tym galaktycznych promieni kosmicznych i ich możliwych skutków zdrowotnych oraz ekspozycji na promieniowanie słoneczne .

Eksperymenty amerykańskich Biostack i radzieckich podróży kosmicznych Biorack wykazały powagę uszkodzeń molekularnych wywoływanych przez ciężkie jony mikroorganizmów , w tym cyst artemii .

Antyproton

Symetria CPT nakłada silne ograniczenia na względne właściwości cząstek i antycząstek i dlatego jest otwarta na rygorystyczne testy. Na przykład ładunki protonu i antyprotonu muszą sumować się dokładnie do zera. Ta równość została przetestowana w jednej części w10 8 . Równość ich mas została również przetestowana z wynikiem lepszym niż jedna część w10 8 . Trzymając antyprotony w pułapce Penninga , równość stosunku ładunku do masy protonów i antyprotonów została przetestowana na jedną część w6 × 10 9 . Moment magnetyczny antyprotonów został zmierzony z błędem8 × 10-3 jądrowych magnetonów Bohra i okazuje się, że jest równy i przeciwny do protonu.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki