proton

Proton (p + )
klassificering
Fermion Hadron Baryon Nucleon
egenskaper
elektrisk laddning	+1  e
Mått	1.007 276 466 583 (15) (29)  u 1.672 621 923 69 (51) · 10 −27  kg 1836.152 673 43 (11)  m e
Vilande energi	938,272,088 16 (29)  MeV
Compton våglängd	1.321 409 855 39 (40) 10 −15  m
magnetiskt ögonblick	1.410 606 797 36 (60) 10 −26  J  /  T 2.792 847 344 63 (82)  μ N
g -faktor	5.585 694 6893 (16)
gyromagnetiskt förhållande	221 2,675 8744 (11) * 10 8  s -1 · t -1
spin paritet	En / två +
Isospin	1 ⁄ 2 (z -komponent +1/2)
medellivslängd	stabil
Interaktioner	stark svag elektromagnetisk gravitation
Quark -komposition	1 ner, 2 upp

Den proton [ proːtɔn ] ( plural protoner [ protoːnən ]; från antika grekiska τὸ πρῶτον att proton 'den första') är en stabil, positivt laddad hadron . Dess symbol är . Tillsammans med neutronen och elektronen är protonen en av byggstenarna i atomerna som utgör all daglig materia . ${\ displaystyle \ mathbf {p}}$

Den atomkärnan med ordinär väte är en enda proton, så protonen är också känd som väte kärnan eller vätejoner . Dessa namn är dock tvetydiga eftersom det finns isotoper av väte som också innehåller en eller två neutroner i kärnan.

konstruktion

Protonen består av två uppkvarkar och en nedkvark (formel uud). Dessa tre valenskvarker är omgivna av en "sjö" av gluoner och kvark-antikvarpar. Endast cirka 1 procent av protonens massa kommer från massorna av valenskvarkerna. Resten kommer från den kinetiska och bindande energin mellan kvarker och gluoner; de gluoner, som force utbytespartiklar, förmedlar den starka kraften mellan kvarkarna. Den diameter en fri proton är ca 1,7 · 10 ^-15  m. Liksom neutronen, är protonen en baryon .

egenskaper

Protonen är den enda stabila hadronen och den lättaste baryonen . Eftersom ett sönderfall bara kan leda till lättare partiklar måste protonen vara stabil på grund av bevarandet av baryontal enligt standardmodellen . Experiment på Kamiokande föreslår en halveringstid på minst 10 ³² år. Sökandet efter protonförfall är av särskild vikt för fysiken eftersom det skulle ge möjlighet att testa teorier bortom standardmodellen.

Det magnetiska momentet kan bestämmas av den förenklade modellen på nivån av ostmassa bestående kvark att beräkna. Här är den nukleära magneton ; är de moment som hänför sig till massorna av respektive bestående kvark med g-faktorn 2. Resultatet överensstämmer grovt med de uppmätta värdena. ${\ displaystyle {\ vec {\ mu _ {\ rm {p}}}} = {\ tfrac {4} {3}} {\ vec {\ mu _ {\ rm {u}}}} - {\ tfrac {1} {3}} {\ vec {\ mu _ {\ rm {d}}}} = + 2 {,} 79 \, {\ vec {\ mu _ {\ mathrm {N}}}}}$${\ displaystyle \ mu _ {\ mathrm {N}}}$${\ displaystyle \ mu _ {\ rm {u}}, \ mu _ {\ rm {d}}}$

Protoner kan uppstå från betasönderfallet av neutroner:

${\ displaystyle \ mathrm {n} \ rightarrow \ mathrm {p} + \ mathrm {e} ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e} +0 {,} 78 \, \ mathrm {MeV }}$

Den omvända processen sker t.ex. B. om bildandet av en neutronstjärna och är teoretiskt möjligt även under normala förhållanden, men statistiskt sett extremt sällsynt, eftersom tre partiklar med exakt matchade energier skulle behöva kollidera samtidigt. En proton bunden i en mycket protonrik atomkärna kan emellertid förvandlas till en neutron genom beta-plus-sönderfall eller elektroninsamling .

Den antimateria partikel ( antipartikel ) till protonen är den antiproton , som först artificiellt skapade i 1955 av Emilio Segre och Owen Chamberlain , som tjänade upptäck den 1959 Nobelpriset i fysik . Den har samma massa som protonen, men har en negativ elektrisk laddning.

Protoner som komponenter i atomkärnor

Den atomkärnan av nästan alla nuklider består av protoner och neutroner , de nukleoner ; det enda undantaget är den vanligaste väteatomen ¹ H, vars atomkärna endast består av en enda proton (se även Proton (kemi) ). Antalet protoner i atomkärnan är kallas atomnummer , den bestämmer antalet elektroner i atom skalet och således de kemiska egenskaperna hos elementet . Atomer med samma antal protoner men olika antal neutroner kallas isotoper och har nästan identiska kemiska egenskaper.

Protonerna i atomkärnan bidrar till den totala atommassan. Den starka interaktionen mellan protoner och neutroner är ansvarig för bibehållandet och stabiliteten av atomkärnan. Medan de positivt laddade protonerna upplever både attraktiva (starka interaktioner) och frånstötande krafter ( elektromagnetisk interaktion ) med varandra, finns det ingen elektrostatisk kraft mellan neutroner och mellan neutroner och protoner.

Den diproton , den fiktiva helium isotopen ² Han, kärnan som bara skulle bestå av två protoner, är inte "partikel stabil", eftersom på grund av den Pauli princip - i motsats till proton och neutron i deuteronen - två protoner kan endast vara i en singlet - State med antiparallella snurr. På grund av nukleon-nukleon-interaktionens starka spinnberoende ökar detta dock energiskt och är därför inte bundet. Stallet ³ Han erhålls endast med en annan neutron i kärnan .

Via nukleära foto effekt , kan protoner frigöras från kärnan genom hög energi fotoner , såväl som i andra kärnreaktioner genom kollisioner med snabba protoner, neutroner eller alfapartiklar . När det gäller kärnor med ett särskilt högt eller särskilt lågt antal neutroner kan spontan nukleonemission, dvs. proton- eller neutronemission, uppstå. Man talar här om proton- eller neutronstrålning. Halveringstiden här är alltid väldigt kort. Vid ett extremt överskott av protoner (såsom järnisotopen ⁴⁵ Fe) kan sönderfall av två protoner förekomma, där till och med två protoner avges samtidigt (se huvudartikeln om radioaktivitet ).

Spridningsprocesser från eller på protoner

Spridda experiment med protoner på andra nukleoner utförs för att undersöka egenskaperna hos nukleon-nukleon-interaktionerna. Vid neutronspridning är den starka interaktionen den dominerande kraften; den elektromagnetiska och särskilt den svaga interaktionen är försumbar här. Om protoner sprids på protoner måste Coulomb -styrkan också beaktas. Kärnkrafterna beror också på snurrningen. Ett resultat av jämförelsen av pp-spridningen med nn-spridningen är att kärnkraften är oberoende av nukleonernas laddningstillstånd (andelen Coulombkraft i tvärsnittet av pp-spridningen subtraheras i ordning för att bara jämföra effekten av kärnkraften).

Protonens formfaktor kan bestämmas med elastisk eller kvasi-elastisk spridning av elektroner på protoner . Genom att sprida en polariserad 1,16 GeV -elektronstråle på protoner mättes deras svaga laddning exakt. Att pariteten inte upprätthålls gäller bara svaga ömsesidiga effekter .

Ytterligare reaktioner av protonen i astrofysik

Proton-protonreaktioner är en av två fusionsreaktioner vid väteförbränning .

Vid protonbindning i p-processen övervinner en snabb proton frånstötningen av Coulombkraften och blir en del av atomkärnan som träffas.

Aktuella forskningsområden

Protonens egenskaper utforskas bland annat. i system som Super Proton Synchrotron (SPS) och Large Hadron Collider (LHC) vid CERN , Tevatron i Fermilab eller HERA . Forskning med proton-antiprotonkollisioner tjänar bland annat att söka efter fysik utöver standardmodellen.

Mätningar av lambskift på muonic väte , d v s på den bundna system av muon och proton, i 2010 resulterade i ett värde av 4% lägre än det tidigare antagna värdet för laddnings radie protonen. bestämdes från spridningstester på elektronacceleratorer. Eftersom muonen är mycket tyngre än elektronen kommer den mycket närmare protonen. När det gäller muoniska atomer gör detta påverkan av protonexpansionen på spektrumet mer exakt mätbar. Skillnaden i protonradie låg inom intervallet fyra standardavvikelser. Detta väckte stor uppmärksamhet då, eftersom det väcker frågor om kvantelektrodynamik , som faktiskt anses vara den bäst undersökta fysiska teorin, som till exempel förutspår energinivåerna i väteatomen med en noggrannhet på 12 decimaler. Avvikelser från standardmodellen diskuterades också, men en av de involverade fysikerna ( Randolf Pohl ) anser att en avvikelse från Rydberg -konstanten från tidigare accepterade värden är mer sannolik. 2016 bekräftades avvikelsen också i muoniska deuteriumatomer. Under 2017 upptäcktes också en avvikelse från vätestandarddata i mätningar på vanligt väte (i mängden 3,3 standardavvikelser för både protonradien och Rydbergkonstanten ). För detta måste två övergångar mätas (förutom 2s-1s övergången 2s-4p). Experimentet representerar en av de mest exakta mätningarna i laserspektroskopi hittills.

Förutom andra masspartiklar kan protoner med energier på upp till 30 MeV också förekomma i markbundna gammastrålningsutbrott . Tidsskalan på vilken markbundna protonstrålar kan mätas är dock betydligt längre än för markbundna gammastrålningsutbrott.

Tekniska tillämpningar

Accelererade protoner används i medicin som en del av protonterapi för att behandla tumörvävnad. Jämfört med konventionell röntgenstrålning är detta en skonsammare terapi, eftersom protonerna i princip bara släpper ut sin energi i ett snävt begränsat djupområde i vävnaden ( Bragg-toppen ). Den vävnad som är på väg det är signifikant mindre stressade (faktor 3 till 4), vävnaden bakom den är relativt sett mindre betonade jämfört med röntgenradioterapi .

Protoner med kinetiska energier i intervallet från 10 till 50 MeV från cyklotroner används, för. B. även för framställning av protonrika radionuklider för medicinska ändamål eller för ytlig aktivering av maskindelar för senare slitmätningar.

Forskningshistoria

William Prout misstänkte 1815 att alla atomer bestod av väteatomer.

Protoner dök upp första gången i forskning 1898 när Wilhelm Wien upptäckte att Geissler-röret måste fyllas med väte för att få kanalstrålar med det största laddnings-till-massa-förhållandet. Denna strålning består av protoner.

År 1913 utvecklade Niels Bohr den modell som är uppkallad efter honom för väteatomen, där en elektron kretsar kring en positivt laddad atomkärna. Denna kärna är en proton.

År 1919 upptäckte Ernest Rutherford att det finns atomkärnor av väte i atomkärnan av kväve . Han antog då att alla atomkärnor består av vätekärnor och föreslog namnet proton för dem. Han hänvisade till ordet protyle , som beskriver en hypotetisk grundsubstans av all materia .

Att protoner har snurr 1/2 visades 1927 av David Dennison baserat på formen av temperaturberoendet för den specifika värmen för väte. Detta skiljer sig vid låga temperaturer, beroende på om de två protonerna anpassar sina snurr parallellt eller antiparallellt, eftersom vissa rotationsnivåer av molekylen då inte uppstår på grund av utbytessymmetri. Det visade sig att i normal vätgas hade 3/4 av molekylerna parallellposition ( ortoväte ) och 1/4 antiparallell position ( parahydrogen ). Detta kvantitativa förhållande passar bara protonspinnet 1/2.

källor

• Wolfgang Demtröder: Experimentell fysik (volym 4). 2: a upplagan. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-21451-8 .
• Donald H. Perkins: Introduktion till högenergifysik. 4: e upplagan. Cambridge University Press, 2000, ISBN 0-521-62196-8 .

Individuella bevis

1. ↑ Informationen om partikelegenskaperna (infobox) är hämtad från: CODATA Rekommenderade värden , om inte annat anges . National Institute of Standards and Technology, öppnade 21 juli 2019 .  . Siffrorna inom parentes anger osäkerheten i de sista siffrorna i värdet; denna osäkerhet ges som den uppskattade standardavvikelsen för det angivna numeriska värdet från det verkliga värdet.
2. ↑ Proton lättare än väntat. Hämtad 27 juli 2017 .  Protonmassa i u .
3. ↑ KODATA Rekommenderade värden. National Institute of Standards and Technology, öppnade 21 juli 2019 .  Protonmassa i kg
4. ↑ KODATA Rekommenderade värden. National Institute of Standards and Technology, öppnade 21 juli 2019 .  Protonmassa i multiplar av elektronmassan
5. ↑ KODATA Rekommenderade värden. National Institute of Standards and Technology, åtkomst 21 juli 2019 .  Protonmassa i MeV / c ²
6. ↑ KODATA Rekommenderade värden. National Institute of Standards and Technology, öppnade 21 juli 2019 .  Compton våglängd av protonen
7. ↑ KODATA Rekommenderade värden. National Institute of Standards and Technology, öppnade 21 juli 2019 .  Magnetiskt ögonblick av protonen
8. ↑ KODATA Rekommenderade värden. National Institute of Standards and Technology, öppnade 21 juli 2019 .  g-faktor för protonen
9. ↑ KODATA Rekommenderade värden. National Institute of Standards and Technology, öppnade 21 juli 2019 .  Gyromagnetiskt förhållande för protonen
10. ^ Wilhelm Gemoll : grekisk-tysk skola och handordbok. München / Wien 1965.
11. ↑ S. Dürr et al.: Ab initio bestämning av lätta Hadronmassor. Science 322 (2008) s. 1224-1227
12. ^ Jefferson Lab Q-svagt samarbete: Precisionsmätning av protons svaga laddning. Nature vol. 557 (2018) sid 207-211, doi: 10.1038 / s41586-018-0096-0
13. ↑ Sök efter fysik utanför standardmodellen vid proton-antiproton-kollisioner med leptoner och jets i slutläget; Thomas Nunnemann; Webblänk till PDF -föreläsning
14. ↑ Randolf Pohl et al.: Protonens storlek . I: Naturen . tejp 466 , nr. 7303 , 2010, sid. 213-216 , doi : 10.1038 / nature09250 . 
15. ↑ Natalie Wolchover, New Measurement Deepen's Proton Puzzle, Quanta Magazine, 11 augusti 2016
16. ↑ Shrunken Proton , Pro Physik, 6 oktober 2017
17. ↑ A. Beyer et al.: Rydbergkonstanten och protonstorleken från atomväte, Science, volym 358, 2017, s.79
18. ^ Köhn, C., Ebert, U.: Beräkning av strålar av positroner, neutroner och protoner associerade med markbundna gammastrålblixter. J. Geophys. Res. Atmos. (2015), vol. 23, doi : 10.1002 / 2014JD022229
19. ^ Köhn, C., Diniz, G., Harakeh, MN: Produktionsmekanismer för leptoner, fotoner och hadroner och deras möjliga återkoppling nära blixtledare. J. Geophys. Res. Atmos. (2017), vol. 122, doi : 10.1002 / 2016JD025445
20. ↑ Rutherford i en fotnot till artikeln "The Constitution of Atoms." av Orme Masson i The Philosophical Magazine, Vol 41 (1921), s. 281-285. : "... Slutligen mötte namnet" proton "allmänt godkännande, särskilt eftersom det föreslår den ursprungliga termen" protyle "som gavs av Prout i hans välkända hypotes att alla atomer är uppbyggda av väte. Behovet av ett särskilt namn för kärnkraftenheten av massa 1 uppmärksammades av Sir Oliver Lodge vid sektionsmötet, och författaren föreslog sedan namnet "proton".
21. ^ Wilhelm Wien: Om positiva elektroner och förekomsten av höga atomvikter. I: Annals of Physics. Volym 318 (4), 1904, s. 669-677.

webb-länkar

Wiktionary: Proton  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar

• Datablad för protonen från: Granskning av partikelegenskaper (2020) av partikeldatagruppen