Proton - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy protonu jako cząstki elementarnej. Zapoznaj się również z: proton (strona ujednoznaczniająca).

Animacja i schemat budowy protonu

Struktura protonu

Proton, p (z gr. πρῶτον – "pierwsze") − trwała cząstka elementarna z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u. Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z neutronami (→ nukleony) tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która z kolei jest podstawą uporządkowania atomów w układzie okresowym pierwiastków.

Teorie wielkiej unifikacji (GUT z ang. Grand Unification Theory) – teorie łączące chromodynamikę kwantową i teorię oddziaływań elektrosłabych. Przedstawiają one oddziaływanie silne, słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego, zunifikowanego oddziaływania. Żadna z dotychczasowych teorii wielkiej unifikacji nie została potwierdzona doświadczalnie.

Jon wodorowy - kation (jon dodatni) utworzony z atomu wodoru, poprzez oderwanie jego jednego elektronu. Praktycznie biorąc jon wodorowy jest po prostu wolnym protonem. W zapisach przebiegu reakcji chemicznych zapisuje się go jako: H+.

Proton wg Modelu Standardowego jest to cząstka złożona, zaliczana do klasy hadronów, a ściślej barionów i jest zbudowana z trzech kwarków: dwóch kwarków górnych "u" i jednego kwarku dolnego "d" (układ uud), związanych silnym oddziaływaniem przenoszonym przez gluony.

Czynnik Landégo protonu: gp/2 = 2,792847351 ± 0,000000028

Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu (z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze). Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze).

Rozpad beta – jeden z typów reakcji rozpadu jądra. Jest to przemiana jądrowa, której skutkiem jest przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżnia się dwa rodzaje tego rozpadu: rozpad β − (beta minus) oraz rozpad β + (beta plus). W wyniku tego rozpadu zawsze wydzielana jest energia, którą unoszą produkty rozpadu. Część energii rozpadu może pozostać zmagazynowana w jądrze w postaci energii jego wzbudzenia, dlatego rozpadowi beta towarzyszy często emisja promieniowania gamma.

Rozpad protonu

Osobny artykuł: Rozpad protonu.

Według aktualnych wyników eksperymentalnych, jeżeli rozpad protonu następuje, to średni czas życia tej cząstki jest dłuższy niż 2,1×10 lat. Zgodnie z Modelem Standardowym proton, jako najlżejszy barion, nie może się samorzutnie rozpaść. Jednakże, teorie wielkiej unifikacji generalnie przewidują rozpad protonu, ale z teoretycznym czasem życia minimum 1×10 lat.

Bariony – w fizyce cząstek elementarnych rodzina cząstek elementarnych silnie oddziałujących fermionów (o spinie połówkowym). Bariony są podrodziną cząstek silnie oddziałujących nazywanej hadronami. Barionem jest proton czy neutron wspólnie nazywane nukleonami.

Sir Ernest Rutherford (ur. 30 sierpnia 1871 w Brightwater, zm. 19 października 1937 w Cambridge) – chemik i fizyk z Nowej Zelandii. Rutherford jako pierwszy potwierdził istnienie jądra atomowego.

Proton może ulec przemianie, na przykład w procesie wychwytu elektronu. Ten proces nie następuje samorzutnie, lecz tylko w wyniku dostarczenia dodatkowej energii. Przemiana ta następuje według równania: $\mathrm{p}^+ + \mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{n} + {\nu}_e \,$

gdzie p - proton, e - elektron, n - neutron, $νe$ - neutrino elektronowe.

Ten proces jest odwracalny. Na przykład, w rozpadzie beta, neutron zamienia się w proton. Wolne neutrony rozpadają się spontanicznie (czas życia około 15 minut) produkując proton.

Historia odkrycia

Eugen Goldstein zaobserwował, ze promieniowanie anodowe składa się z dodatnio naładowanych jonów. Zauważył również, że stosunek ładunku do masy tych jonów zależy od natury gazu (dla promieniowania katodowego, które składa się z elektronów, ten stosunek był zawsze ten sam). W 1898 roku Wilhelm Wien stwierdził, ze najwyższy stosunek był obserwowany, kiedy wodór wypełniał rurę katodową.

Spektroskopia NMR, Spektroskopia Magnetycznego Rezonansu Jądrowego ( – jedna z najczęściej stosowanych obecnie technik spektroskopowych w chemii i medycynie.

Kwark – cząstka elementarna, fermion, posiadający ładunek koloru (czyli podlegający oddziaływaniom silnym). Według obecnej wiedzy cząstki elementarne będące składnikami materii można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są leptony. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich antycząstki. Istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz odpowiednio sześć rodzajów ich antycząstek – antykwarków.

W roku 1918, Ernest Rutherford stwierdził, że jądra wodoru produkowane są w wyniku działania cząstek alfa na azot.

Proton w chemii

Jądra atomów najpowszechniejszego izotopu wodoru H (protu) zawierają jedynie pojedyncze protony. W wyniku jonizacji termicznej wodoru powstają wolne (swobodne) protony (→ plazma). Natomiast protony powstające w wyniku dysocjacji elektrolitycznej w roztworze są solwatowane (zobacz np. jon hydroniowy), a spotykany zapis H i określenie "proton" są uproszczeniem nie odzwierciedlającym rzeczywistej struktury jonów wodorowych. Podobnie rozumiany jest "proton" w biochemii (np. "pompa protonowa").

Liczba atomowa ( Z ) (liczba porządkowa) określa, ile protonów znajduje się w jądrze danego atomu. Jest także równa liczbie elektronów niezjonizowanego atomu. Pojawia się ona w symbolicznym zapisie jądra izotopu:

Promieniowanie kosmiczne – promieniowanie złożone, zarówno korpuskularne jak i elektromagnetyczne, docierające do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Korpuskularna część promieniowania składa się głównie z protonów (90% cząstek), cząstek alfa (9%), elektronów (ok 1%) i nielicznych cięższych jąder. Promieniowanie docierające bezpośrednio z przestrzeni kosmicznej nazywamy promieniowaniem kosmicznym pierwotnym. Cząstki docierające do Ziemi w wyniku reakcji promieniowania kosmicznego pierwotnego z jądrami atomów gazów atmosferycznych, to promieniowanie wtórne.

Określenie "proton" stosuje się także w odniesieniu do atomów wodoru połączonych wiązaniem chemicznym z innymi atomami. Wpływ otoczenia chemicznego protonów w związkach chemicznych na ich właściwości magnetyczne wykorzystywany jest w spektroskopii protonowego rezonansu magnetycznego.

Rozpad protonu – hipotetyczny nowy rodzaj rozpadu promieniotwórczego, w rezultacie którego swobodny proton rozpadałby się na lżejsze cząstki. W Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych rozpad taki jest zabroniony, ponieważ łamie zasadę zachowania liczby barionowej. Możliwość takiego rozpadu przewidują niektóre rozszerzenia Modelu Standardowego, np. teorie wielkiej unifikacji. Eksperymentalnie nie udało się dotychczas jednoznacznie zaobserwować żadnych przypadków tego procesu.

Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek naładowanych elektrycznie, jak i obojętnych. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

Zobacz też

Zobacz hasło proton w Wikisłowniku

antyproton

rozpad protonu

Przypisy

SNO Collaboration, S.N. Ahmed et al., "Constraints on nucleon decay via invisible modes from the Sudbury Neutrino Observatory", Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 102004