Proton nima

Proton nima
Proton (p, p+)
Oilasi fermion
Guruhi adron, barion, N-barion, nuklon
Quyidagi o‘zaro taʼsirlarda qatnashadi Kuchli, kuchsiz, elektromagnit va gravitatsion
Antizarracha antiproton
Massa 938,272 089 43(29) MeV
1,672 621 923 69(51)⋅10−27 kg
1,007 276 466 5789(83) a. m. b.
Yashash vaqti ∞ (kamida 2,1⋅1029 yil)
Kashf etilgan Ernest Rezerford tomonidan 1919-yilda
Nomining kelib chiqishi qadimgi yunoncha πρῶτος «birinchi»
Kvant sonlari
Elektr zaryadi +1 e
+1,602 176 634⋅10−19 Kl
Barion soni 1
Spin ½ ħ
Magnit moment 2,792 847 344 63(82) yadro magnetoni yoki 1,410 606 795 45(60)×10-26 J/Tl
Ichki juftlik 1
Izotopik spin ½
G‘alatilik 0
Maftunkorlik 0
Boshqa xususiyatlari
Kvarklar tarkibi uud
Parchalanish sxemasi yo‘q
Логотип Викисклада Vikimedia omboridagi mediafayllar

Protón (so‘zining kelib chiqishi: qadimgi yunoncha πρῶτος «birinchi») — (neytron va elektron) bilan bir qatorda uchta elementar zarrachadan biri bo‘lib, ulardan oddiy modda tashkil topadi. Protonlar atom yadrolari tarkibida joylashgan; kimyoviy elementning Mendeleyev jadvalidagi tartib raqami uning yadrosidagi protonlar soniga teng.

Fizikada proton bilan belgilanadi. Protonning kimyoviy belgisi (uni musbat ion vodorod sifatida qaralganda) — H+, astrofizikadagi belgisi esa — HII. Antizarrachasi — antiproton .

Protonning massasi taxminan 1,6726⋅10−27 kg yoki 938,27 MeV, yaʼni taxminan 1836 ta elektron massasiga teng. Spin ½ ga teng, shu sababli proton fermion hisoblanadi. Ichki juftligi musbatdir.

Elementar zarrachalar tasnifida proton adronlar qatoriga kiradi. U quyidagi to‘rtta fundamental o‘zaro taʼsirda qatnashadi: kuchli, elektromagnit, kuchsiz va gravitatsion.

Protonning elektr zaryadi musbat va moduli jihatidan elektron zaryadiga: e = +1,602 176 634⋅10−19 Kl teng (aniq).

Elektrondan farqli o‘laroq, proton nuqtasimon zarracha emas, ichki tuzilishga va maʼlum o‘lchamga ega. Fundamental zarrachalar — protonni tashkil etuvchi kvarklar va glyuonlardir. Protonning o‘lchami sifatida aynan qaysi kattalik olinishi kelishuvga bog‘liq, ammo har qanday holatda ham u taxminan 1 fm tartibida bo‘ladi. Eng aniq o‘lchangan kattalik elektr radius deb ataladi — 0,841 fm.

Proton barqaror: ko‘plab tajribalarda uning parchalanishiga oid hech qanday dalil topilmagan. Bu holatni tushuntirish uchun saqlanuvchi barion soni tushunchasi kiritilgan (kelishuvga ko‘ra, protonning barion soni +1 deb olinadi).

«Proton» nomini E. Rezerford 1920-yilda taklif qilgan.

Xususiyatlari

Tuzilishi

Dastlab proton ichki tuzilishga ega bo‘lmagan zarracha deb hisoblangan. Biroq vaqt o‘tishi bilan bunga zid bo‘lgan tajriba dalillari (katta qiymatli anomal magnit moment, elastik va chuqur noelastik sochilish tajribalarining natijalari) to‘planib bordi.

Hozirgi tasavvurlarga ko‘ra, kuchli o‘zaro taʼsirda qatnashadigan barcha zarrachalar, jumladan protonning ham asosiy tarkibiy birliklari kvarklardir.

Kvark modelining dastlabki talqinida proton uchta kvarkdan — ikkita yuqori kvark va bitta quyi kvark (uud) dan iborat deb hisoblangan. Ushbu («sodda» deb ataluvchi) kvark modeli protonning ayrim xususiyatlarini ancha yaxshi tavsiflay oladi (masalan, proton va neytron magnit momentlari nisbati −3/2 ga teng chiqadi, bu tajribadagi −1,47 qiymatiga yaqin), ammo aslida u to‘liq to‘g‘ri emas. Haqiqatda proton tarkibida shu uchta — valent — kvarkdan tashqari ko‘plab glyuonlar hamda kvark-antikvark juftlari ham mavjud (bular dengiz kvarklari deb ataladi).

Maʼlumotlarga ko‘ra, chuqur noelastik sochilish tajribalarida proton impulsining taxminan 40 % i valent kvarklarga, 50 % i glyuonlarga va 10 % i dengiz kvarklariga to‘g‘ri keladi. NNPDF[ingl.] ilmiy hamkorligining tadqiqoti proton tarkibiga vaqtincha maftunkor kvarklar ham uchrashi mumkinligini ko‘rsatgan.

Kvarklar protonni tark eta olmaydi. Buning sababi konfaynment hodisasidir.

Fizik xususiyatlari

Fizik xususiyatlari

Protonning turli birliklarda ifodalangan massasi quyidagicha:

  • 938,272 089 43(29) MeV;
  • 1,007 276 466 5789(83) a. m. b.;
  • 1,672 621 925 95(52)⋅10−27 kg;
  • 1836,152 673 426(32) ta elektron.

Proton massasi uni tashkil etuvchi ikkita u-kvark, bitta d-kvark massalari va glyuon maydoni hisobiga shakllanadi, bunda kvarklar proton massasining atigi 2 % ga yaqinini beradi.

Magnit moment

Protonning magnit momenti berilgan bir jinsli magnit maydonda uning magnit momenti pretsessiyasining rezonans chastotasi bilan ayni maydonda protonning aylana orbita bo‘ylab harakatlanish siklotron chastotasi orasidagi nisbatni o‘lchash orqali aniqlanadi[maʼlumotlarni yangilash]. Uning qiymati 2,792 847 344 63(82) yadro magnetoni yoki 1,410 606 795 45(60)×10-26 J/Tl.

O‘lchami

Har qanday kvant-mexanik tizim singari, proton ham aniq chegaralarga ega emas — uni tashkil etuvchi kvarklar o‘zlarining to‘lqin funksiyasiga muvofiq fazoda taqsimlangan. Shuning uchun protonning o‘lchami nimadan iboratligini bir maʼnoda aytib bo‘lmaydi: bu tanlangan taʼrifga bog‘liq. O‘lcham sifatida yadro kuchlarining qattiq o‘zagi radiusi, elektr yoki magnit radius yoxud uzunlik o‘lchamiga ega boshqa xarakterli kattalik olinishi mumkin. Ammo ko‘pincha elementar zarracha o‘lchami sifatida elektr zaryadi taqsimotining o‘rtacha kvadratik radiusi (elektr radius) qabul qilinadi.

1960-yillardan boshlab oddiy vodorod atomlari yordamida turli usullarda o‘tkazilgan proton elektr radiusi o‘lchovlari (CODATA-2014) quyidagi natijani bergan: 0,8751 ± 0,0061 fm. Myuonli vodorod atomlari bilan o‘tkazilgan dastlabki tajribalarda bu radius 4 % kichikroq chiqqan: 0,84184 ± 0,00067 fm. Ushbu farqning sabablari hali to‘liq aniqlanmagan. Lamb siljishini oddiy vodorod atomida 2019-yilda o‘lchash natijasida 0,833 ± 0,010 fm qiymat olingan. Bu myuonli vodoroddan olingan maʼlumotlarga mos kelsa-da, avvalgi tajribalar natijalariga hamon zid edi. Keyinroq, 2019-yilda Jefferson laboratoriyasida A. Gasparyan boshchiligidagi guruhning PRad tajribasida proton radiusini aniqlash uchun elektronlar sochilishidan foydalanilgan. Olingan qiymat quyidagiga teng: 0,831 ± 0,007 ± 0,012 fm.

Maʼlumotlar to‘plami CODATA-2022 da myuonli vodorod spektroskopiyasi orqali o‘lchangan qiymatga yaqin radius — 0,84075 ± 0,00064 fmga teng deb qayd etildi. Umuman olganda, proton zaryad radiusi muammosi hal qilingan deb qaraladi, ammo o‘lchovlardagi ayrim nomuvofiqliklar hali ham mavjud va muhokama qilinmoqda.

Kuchsiz zaryad

Protonning kuchsiz zaryadi deb ataluvchi kattalik uning kuchsiz o‘zaro taʼsirlarda Z-bozon almashinuvi orqali kuchsiz o‘zaro taʼsirda qatnashishini belgilaydi (zarrachaning elektr zaryadi foton almashinuvi orqali elektromagnit o‘zaro taʼsirda qatnashishini belgilagani singari). Uning qiymati 0,0719 ± 0,0045 bo‘lib, bu protonlarda qutblangan elektronlarning sochilishidagi juftlik buzilishini tajribada o‘lchash asosida aniqlangan. O‘lchangan qiymat tajriba xatoligi chegarasida Standart modelning nazariy bashoratlariga mos keladi (0,0708 ± 0,0003).

Yashash vaqti

Erkin proton barqarordir: tajribalarda uning parchalanishiga oid biror alomat aniqlanmagan. Protonning yashash vaqti — 2,1⋅1029 yildan kam emas (parchalanish kanalidan qatʼi nazar), 1,6⋅1034 yil — pozitron va neytral pionga parchalanish uchun, 7,7⋅1033 yil — musbat myuon va neytral pionga parchalanish uchun.

Proton barionlar ichida eng yengili bo‘lgani sababli, uning barqarorligi barion sonining saqlanish qonunidan kelib chiqadi: bu qonunni buzmasdan proton yengilroq zarrachalarga (masalan, pozitron va neytrinoga) parchalana olmaydi. Biroq Standart modelning ko‘plab nazariy kengaytmalari barion soni saqlanmaydigan, demak, proton parchalanishi mumkin bo‘lgan (hozircha kuzatilmagan) jarayonlarni bashorat qiladi.

O‘zaro taʼsirlar

Proton maʼlum bo‘lgan barcha — kuchli, elektromagnit, kuchsiz va gravitatsion o‘zaro taʼsirlarda qatnashadi. Kuchli o‘zaro taʼsir tufayli protonlar va neytronlar atom yadrolariga birlashadi. Elektromagnit o‘zaro taʼsir tufayli yadrolar va elektronlar atomlarni hosil qiladi, atomlardan esa molekulalar va makroskopik jismlar tashkil topadi. Protonlarning kuchsiz o‘zaro taʼsiri, masalan, beta-parchalanish jarayonlarini yuzaga keltiradi.

Kuchli o‘zaro taʼsir

Past energiyalarda protonlarning kuchli o‘zaro taʼsiri yadro kuchlari shaklida namoyon bo‘lib, ular proton va neytronlarni atom yadrolarida bog‘lab turadi. Masalan, elektromagnit kuchlardan farqli o‘laroq, yadro kuchlari markaziy emas va zarrachalar spiniga bog‘liq (shu bois spini bir yo‘nalishga qaratilgan proton va neytron bog‘langan holat — deytronni hosil qiladi, qarama-qarshi yo‘nalgan spinlarda esa bunday holat yuzaga kelmaydi).

Tajribalar ko‘rsatishicha, yadro kuchlari izotopik simmetriyaga ega: protonlar neytronlar bilan va aksincha almashtirilganda ular o‘zgarmaydi. Shu sababli yadro kuchlari nazariyasida proton va neytron ko‘pincha bir zarrachaning holatlari deb qaraladi; uning izotopik spini 1/2 (nuklon), proton va neytron esa proyeksiyasi jihatidan farqlanadi (protonniki +1/2, neytronniki −1/2).

Yadro kuchlarini pionlar almashinuvi (Yukava modeli) va kamroq darajada boshqa, og‘irroq mezonlar. Tajribada aniqlangan yadro kuchlari potensiali katta masofalarda tortishishga va kichikroq masofalarda (taxminan 0,5 fm) kuchli itarilishga mos keladi. Bu modelda proton og‘ir markaziy o‘zakdan (o‘zak, ingl. core) hamda uni o‘rab turuvchi virtual mezonlar bulutidan (uzoq masofalarda pionlar, markazga yaqinroq joyda ro-mezonlar, omega-mezonlar va boshqalar) tashkil topgan.

Boshqa tomondan, yuqori energiyali zarrachalar protonlarda chuqur noelastik sochilganda, sochilish proton ichidagi ayrim nuqtasimon zarrachalarda yuz berayotgandek ko‘rinadi. Feynman ularni partonlar deb atagan. Aynan shular kvarklardir.

Yuqori energiyali protonlar o‘zaro yoki yadrolar bilan to‘qnashganda juda qizigan yadro moddasi va, ehtimol, kvark-glyuon plazmasi.

Elektromagnit o‘zaro taʼsir

Protonning elektr zaryadi mutlaq qiymati jihatidan elektron zaryadiga teng, ishorasi esa unga qarama-qarshidir. Proton va elektron zaryadlari yig‘indisi nolga tengligi juda yuqori aniqlikda tekshirilgan, chunki bu oddiy moddaning elektr jihatdan neytralligini anglatadi.

Qarama-qarshi ishorali zaryadlar bir-birini tortadi, shu sababli proton va elektron bog‘langan holat — vodorod atomini hosil qilishi mumkin. Agar elektron manfiy zaryadlangan myuon bilan almashtirilsa, vodorodga o‘xshash, ammo o‘lchami taxminan 200 marta kichik bo‘lgan myuonli vodorod hosil bo‘ladi. Umuman olganda, oddiy modda atomlarining mavjudligi yadro protonlari bilan elektronlar orasidagi elektromagnit tortishish tufaylidir.

Spini 1/2 bo‘lgan elektr zaryadli elementar zarrachalar Dirak tenglamasi bilan tavsiflanadi. Bu tenglamaga ko‘ra, bunday zarrachaning magnit momenti ga teng bo‘lishi kerak (bu yerda — proton massasi; bu kattalik yadro magnetoni deb ataladi). Biroq 1930-yillardayoq protonning magnit momenti Dirak nazariyasi bashoratidan sezilarli darajada farq qilishi (2,79 marta katta bo‘lishi) aniqlangan. Bu holatning o‘zi proton nuqtasimon zarracha emas, balki ichki tuzilishga ega ekanini ko‘rsatadi.

Buning bevosita isboti Xofshtadter tajribalarida (fizika bo‘yicha Nobel mukofoti 1961-yil). Yuqori energiyali elektronlarning protonlarda elastik sochilishi (bu muayyan maʼnoda elektron mikroskopiga o‘xshaydi) orqali protonning elektr zaryadi bir nuqtada jamlanmagani, balki radiusi taxminan 0,8 fm bo‘lgan sohada taqsimlangani ko‘rsatilgan. Xuddi shu holat magnit moment uchun ham o‘rinlidir.

Nazariyada protonning elektromagnit o‘zaro taʼsiri ikkita funksiya — elektr va magnit shakl omili (form factor) orqali tavsiflanadi. Ular Furye tasvirlari bo‘lib, proton ichidagi zaryad zichligi va magnit moment taqsimotini ifodalaydi. Bu taqsimotlarning o‘rtacha kvadratik radiuslarini ko‘rib chiqish mumkin — ular protonning elektr va magnit radiuslari deb ataladi.

Kuchsiz o‘zaro taʼsir

Proton barcha adronlar singari kuchsiz o‘zaro taʼsirda ham qatnashadi.

Bunga mashhur misol — elektronni tutib olish — jarayon bo‘lib, unda atom yadrosidagi proton atomning K-, L- yoki M-qobig‘idagi elektronni tutib olib, neytronga aylanadi va neytrino chiqaradi: . Elektronni tutib olish natijasida K-, L- yoki M-qobiqda hosil bo‘lgan «bo‘shliq» yuqoriroq elektron qobiqdan kelgan elektron bilan to‘ldiriladi; bunda atom raqamiga xos rentgen nurlari chiqadi, ular atom raqami ga mos keladi; bundan tashqari, Oje elektronlari ham chiqadi. Elektronni tutib olish orqali parchalanadigan 1000 dan ortiq izotop maʼlum: 7
4
Be dan 262
105
Db gacha. Parchalanish energiyasi yetarlicha yuqori bo‘lsa ( ≈ 1,022 MeV[aniqlashtirish]) raqobatlashuvchi parchalanish kanali — pozitron parchalanishi ham yuzaga kelishi mumkin (erkin proton uchun esa bunday jarayon, albatta, energiyaning saqlanish qonuni bilan taqiqlanadi).

Proton ishtirokidagi yana bir kuchsiz jarayon — teskari beta-parchalanish bo‘lib, u neytrinolarni aniqlashda qo‘llanadi: .

Yuqorida keltirilgan jarayonlar W-bozon almashinuviga asoslanadi. Z-bozon almashinuvi ham mumkin; u juftlikning buzilishiga olib keluvchi elastik sochilish effektlarini (masalan, bo‘ylama qutblangan elektronlarning qutblanmagan protonlarda elastik sochilishi asimmetriyasini) yuzaga keltiradi.

Protonlarning roli

Astrofizikada

Proton Koinotda ko‘p uchraydigan zarrachalardan biridir. Ular yulduzlarda ham, yulduzlararo fazoda ham mavjud.

Dastlabki protonlar 10-6—1 soniya oralig‘ida, Katta portlashdan keyingi adronlashish davrida paydo bo‘lgan. Dastlab Koinotdagi proton va antiprotonlar soni taxminan teng bo‘lgan, protonlar biroz ortiqcha edi. Davr oxirida ularning deyarli barchasi annihilyatsiyaga uchragan; qolgan protonlar esa hozirgacha mavjud. Dastlabki nukleosintez davrida (3—20 daqiqadan so‘ng) protonlarning bir qismi vodoroddan og‘irroq elementlar — deyteriy, geliy va litiy yadrolari tarkibiga kirgan.

Protonlar termoyadro reaksiyalarida ishtirok etadi; ular yulduzlar energiyasining asosiy manbaidir. Xususan, pp-sikli reaksiyalari Quyosh tarqatadigan energiyaning deyarli hammasini hosil qiladi. Bunda to‘rtta proton birikib, geliy-4 yadrosiga birlashadi va ikkita proton neytronga aylanadi.

Katta miqdordagi protonlar Quyosh shamolida ham mavjud.

Protonlar birlamchi kosmik nurlarning asosiy qismini tashkil etadi — ularning 90 % dan ortig‘i protonlardir. Kosmik nurlardagi protonlar energiyasi hatto 1020 eV gacha yetishi mumkin. Bu bugungi tezlatkichlarda erishiladigan energiyadan ko‘p daraja yuqori.

Kimyoda

Kimyoviy nuqtayi nazardan proton vodorodning musbat ioni (aniqrog‘i, uning yengil izotopi — protiy ioni) — H+dir. Proton boshqa kimyoviy ahamiyatli ionlardan tarkibida bitta ham neytron bo‘lmasligi bilan farqlanadi. Shuning uchun uning o‘lchami bir necha daraja kichik. Shu bois proton boshqa molekulalarning ichiga kirib, vodorod bog‘lari hosil qila oladi.

Proton kuchli elektron akseptori bo‘lib, donor-akseptor o‘zaro taʼsiri reaksiyalarida qatnashadi. Protonlanish — protonning molekulaga qo‘shilishi — ko‘plab kimyoviy jarayonlarda, jumladan neytrallanish, elektrofil birikish va elektrofil almashinish va oniy birikmalari hosil bo‘lishida muhim ahamiyatga ega.

Kimyoda protonlarning manbai mineral va organik kislotalardir. Suvli eritmada kislotalar dissotsiatsiyalanib proton ajratadi, natijada gidroksoniy kationi hosil bo‘ladi.

Gaz fazasida protonlar ionlashish — elektronni vodorod atomidan uzib olish orqali hosil qilinadi. Ionlanish potensiali qo‘zg‘almagan vodorod atomi uchun 13,595 eVga teng. Ionlashtirishda molekulyar vodorod atmosfera bosimi va xona haroratida tez elektronlar bilan taʼsirlashib, dastlab vodorodning molekulyar ioni (H2+) hosil bo‘ladi — bu ikkita proton bir elektron yordamida bir-biridan 1,06 Å masofada ushlab turilgan fizik tizimdir. Bunday tizimning barqarorligi, Poling fikricha, elektronning ikki proton o‘rtasidagi rezonansi bilan bog‘liq; uning «rezonans chastotasi» 7⋅1014 Gts ga teng. Harorat bir necha ming darajagacha oshirilsa, vodorod ionlanish mahsulotlari tarkibida protonlar ulushi ortadi.

Eksperimental zarrachalar fizikasida

Protonlar barqaror va ularni (vodoroddan) olish oson bo‘lgani uchun ular eksperimental elementar zarrachalar fizikasida ham nishon, ham zarrachalar dastasi sifatida tez-tez qo‘llanadi. Birinchi holda vodorodga boy materiallar nishon vazifasini bajarishi mumkin, masalan, suyuq vodorod, parafin yoki polietilen.

Yuqori energiyali proton dastalari tezlatkichlarda hosil qilinadi. Ular turli sochilish jarayonlarini o‘rganish, shuningdek pionlar, kaonlar va giperonlar kabi beqaror zarrachalar dastalarini olish uchun qo‘llanadi. 1980-yillargacha elementar zarrachalar fizikasidagi kashfiyotlarning aksariyati proton sinxrotronlarida amalga oshirilgan. Hozirgi kundagi eng qudratli tezlatkich — Katta adron kollayderi (ingl. Large Hadron Collider, LHC) — protonlarni 6,5 TeV energiyagacha tezlatadi.

Tibbiyotda

Tezlatilgan proton dastalari onkologik kasalliklarni davolash uchun ishlatiladi (proton terapiyasi).

Kashf etilish tarixi

Vodorodga o‘xshash zarracha boshqa atomlarning tarkibiy qismi bo‘lishi mumkinligi haqidagi g‘oya uzoq vaqt davomida rivojlangan. 1815-yilda ingliz kimyogari Uilyam Praut barcha atomlar vodorod atomlaridan tuzilgan deb taxmin qilgan. U ularni «protyle» deb atagan; uning fikri elementlarning atom massalari vodorod atomining massasiga taxminan karrali ekaniga asoslangan (Praut gipotezasi).

1886-yilda Oygen Goldshteyn kanal nurlarini (ular anod nurlari nomi bilan ham tanilgan) kashf etdi va ularning musbat zaryadlangan zarrachalar ekanini ko‘rsatdi. Vilgelm Vin 1898-yilda bu zarrachalarning eng yengillari vodorod ionlari (yaʼni protonlar) ekanini isbotladi. Harakatlanayotgan protonlarga elektr va magnit maydonlari bilan taʼsir etib, Vin proton zaryadining uning massasiga nisbatini o‘lchadi.

1917-yilda Rezerford alfa-zarrachalar havoga tushganda ssintillyatsion detektorlarda boshqa, yengilroq (bosib o‘tgan yo‘li uzunligidan maʼlum bo‘lgan) zarrachalarning chaqnashlari paydo bo‘lishini payqadi. Sof azotda bunday chaqnashlar ko‘proq kuzatilgan. 1919-yilda Rezerford quyidagi xulosaga keldi:

Hozirgacha olingan natijalardan kelib chiqib, α-zarrachalarning azot atomlari bilan to‘qnashishi natijasida hosil bo‘lgan, uzoq masofaga uchuvchi atomlar azot atomlari emas, balki, ehtimol, vodorod atomlari yoki massasi 2 ga teng atomlar ekanini tan olmaslik qiyin. Agar bu chindan ham shunday bo‘lsa, tezkor α-zarracha bilan to‘qnashuvda yuzaga keladigan kuchli taʼsirlar natijasida azot atomi parchalanadi va ajralib chiqqan vodorod atomi azot yadrosining tarkibiy qismi bo‘lgan, degan xulosaga kelishimiz kerak.

Bu hodisa ko‘pincha protonning kashf etilishi deb ataladi.

«Proton» nomini 1920-yilda Rezerford taklif qilgan.

Adabiyotlar