Просмотр кода страницы Протон

{{другие значения}}

{{Информация о частице
 |цвет_фона                      = 
 |имя                            = Протон
 |символ                         = {{math|''p'',  ''p''<sup>+</sup>}}
 |обнаружена                     = [[Резерфорд, Эрнест|Эрнест Резерфорд]] в [[1919 год в науке|1919 году]]
 |названа                        = от {{lang-grc|[[wikt:πρῶτος#Древнегреческий|πρῶτος]]}} «первый»
 |семья                          = [[фермион]]
 |группа                         = [[адрон]], [[барион]], [[N-барион]], [[нуклон]]
 |взаимодействие                 = [[Сильное взаимодействие|Сильное]], [[Слабое взаимодействие|слабое]], [[Электромагнитное взаимодействие|электромагнитное]] и [[Гравитация|гравитационное]]
 |античастица                    = [[антипротон]] <math>(\bar{p})</math>
 |масса                          = {{nobr|938,272 089 43(29) МэВ<ref name="mass in MeV"/>}}<br>{{nobr|1,672 621 923 69(51){{e|−27}} [[кг]]<ref name="mass in kg" />}}<br>{{nobr|1,007 276 466 5789(83)  [[а. е. м.]]<ref name="mass in u" />}}
 |время_жизни                    = ∞ ([[Распад протона|не менее]] 2,1{{e|29}} лет<ref name=Ahm2004/>)
 |электрический_заряд            = +1 [[Элементарный электрический заряд|{{math|''e''}}]]<br>+1,602 176 634{{e|−19}} [[Кл]]
 |барионное_число                = 1
 |магнитный_момент               = {{nobr|2,792 847 344 63(82)}} [[Ядерный магнетон|ядерного магнетона]]<ref name=mupsmun/> или {{nobr|1,410 606 795 45(60)×10<sup>-26</sup> [[Джоуль|Дж]]/[[Тесла (единица измерения)|Тл]]}}<ref name=mup/>
 |спин                           = ½
 |изотопический_спин             = ½
 |странность                     = 0
 |очарование                     = 0
 |внутренняя_чётность            = 1
 |кварковый_состав               = uud
 |схема_распада                  = нет
}}

'''Прото́н''' (от {{lang-grc|[[wikt:πρῶτος#Древнегреческий|πρῶτος]]}} «первый»<ref name="ФЭ">{{ФЭ|4|статья=Протон}}</ref>) — одна из трёх (вместе с [[нейтрон]]ом и [[электрон]]ом) [[элементарные частицы|элементарных частиц]], из которых построено обычное [[вещество]]. Протоны входят в состав [[атомное ядро|атомных ядер]]; порядковый номер [[химический элемент|химического элемента]] в [[таблица Менделеева|таблице Менделеева]] равен количеству протонов в его ядре.

В физике протон обозначается <math>p</math>. Химическое обозначение протона (рассматриваемого в качестве [[катион|положительного иона]] [[водород]]а) — H<sup>+</sup>, астрофизическое — HII. [[Античастица]] к протону — [[антипротон]] <math>\tilde p</math>.

Масса протона составляет около 1,6726{{e|−27}} кг или 938,27 [[МэВ]], что примерно в 1836 раз больше массы [[электрон]]а. [[Спин]] равен ½, поэтому протон является [[фермион]]ом. [[Внутренняя чётность]] положительна.

В классификации элементарных частиц протон относится к [[адроны|адронам]]. Он обладает способностью ко всем четырём фундаментальным взаимодействиям — [[сильное взаимодействие|сильному]], [[электромагнитное взаимодействие|электромагнитному]], [[слабое взаимодействие|слабому]] и [[гравитационное взаимодействие|гравитационному]].

[[Электрический заряд]] его положителен и равен по модулю [[заряд электрона|заряду электрона]]: {{math|''e''}} = +1,602 176 634{{e|−19}} [[Кл]] (точно).

В отличие от, например, электрона, протон не является точечной частицей, а имеет внутреннюю структуру и конечные размеры. [[Фундаментальные частицы]], из которых построен протон — [[кварки]] и [[глюоны]]. Какую именно величину считать размером протона, зависит от договорённости, но в любом случае это будет величина порядка 1 [[фемтометр|фм]]. Наиболее точно измерен так называемый электрический радиус — 0,841 фм.

Протон стабилен, многочисленные эксперименты не выявили никаких свидетельств его распада. Для объяснения этого факта было введено сохраняющееся [[барионное число]] (протону по соглашению приписывается барионное число +1).

Название «протон» предложено [[Резерфорд, Эрнест|Э. Резерфордом]] в 1920 году.

== Свойства ==

=== Структура ===
Первоначально протон считался бесструктурной частицей. Однако постепенно накапливались экспериментальные факты (большая величина [[аномальный магнитный момент|аномального магнитного момента]], результаты опытов по [[Упругое рассеяние|упругому]] и [[глубоко неупругое рассеяние|глубоко неупругому]] рассеянию), говорящие о том, что это не так.

По современным представлениям, элементарными единицами, из которых построены все сильно взаимодействующие частицы, и протон в том числе, являются [[кварки]].

В первоначальной версии кварковой модели считалось (и до сих пор часто говорят), что протон состоит из трёх кварков — двух [[верхний кварк|верхних]] и одного [[нижний кварк|нижнего]] (''uud''). Хотя эта (так называемая «наивная») кварковая модель и позволяет неплохо описать некоторые свойства протона (так, отношение [[магнитный момент|магнитных моментов]] протона и нейтрона получается равным −3/2, что близко к экспериментальному значению −1,47<ref>{{книга|автор=Мухин К. Н. |заглавие=Экспериментальная ядерная физика|место=М.|год=1993|том=2|страницы=327}}</ref>), на самом деле она не совсем правильна. В действительности протон содержит, кроме этих трёх — ''валентных'' — кварков, множество [[глюон]]ов и кварк-[[антикварк]]овых пар (так называемых ''морских кварков'').

Согласно данным, полученным в экспериментах по [[глубоко неупругое рассеяние|глубоко неупругому рассеянию]], лишь около 40 % импульса протона приходится на валентные кварки, 50 % на глюоны и 10 % на морские кварки<ref name="ФЭ-кварки">{{ФЭ|2|статья=Кварки}}</ref>. Исследование коллаборации {{нп5|NNPDF}} показало, что в состав протона могут временно входить [[c-кварк|очарованные кварки]]<ref>{{Cite web |url=https://www.nature.com/articles/s41586-022-04998-2 |title=Evidence for intrinsic charm quarks in the proton {{!}} Nature<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2022-08-25 |archive-date=2022-08-23 |archive-url=https://web.archive.org/web/20220823145235/https://www.nature.com/articles/s41586-022-04998-2 |deadlink=no }}</ref>.

Кварки не могут покинуть протон из-за явления [[конфайнмент]]а.

=== Физические характеристики ===

==== Масса ====
{{дополнить раздел|как её измеряют|дата=2020-12-12}}
Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет<ref>Рекомендованные значения [[CODATA]] 2022 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно [[стандартное отклонение]]</ref>:
* 938,272 089 43(29) [[МэВ]]<ref name="mass in MeV">{{CODATA2022|константа= Proton mass energy equivalent in MeV |ссылка=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpc2mev}}</ref>;
* 1,007 276 466 5789(83) [[а. е. м.]]<ref name="mass in u">{{CODATA2022|константа= Proton mass in u |ссылка=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpu}}</ref>;
* 1,672 621 925 95(52){{e|−27}} [[килограмм|кг]]<ref name="mass in kg">{{CODATA2022|константа= Proton mass |ссылка=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mp}}</ref>;
* 1836,152 673 426(32) массы [[электрон]]а<ref name=autogenerated1>{{CODATA2022|константа= Proton-electron mass ratio |ссылка=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpsme}}</ref>.

Масса протона формируется из масс составляющих его двух u-кварков и одного d-кварка и глюонного поля, причём на кварки приходится только около 2 % от массы протона<ref>{{статья|автор=Иванов И.|заглавие=Многоликий протон|издание=Квант|год=2009 |том=|выпуск=|номер=5|страницы=|ссылка=https://old.elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431034/Mnogolikiy_proton|doi=|arxiv=|bibcode=|язык=ru}}</ref>.

==== Магнитный момент ====
Магнитный момент протона определяется путём измерения отношения резонансной частоты прецессии магнитного момента протона в заданном однородном магнитном поле и циклотронной частоты обращения протона по круговой орбите в том же самом
поле<ref name = "Bete">{{книга|автор=[[Бете, Ханс Альбрехт|Бете Г.]], Моррисон Ф.|часть=|заглавие=Элементарная теория ядра|оригинал= |ссылка=|издание=|ответственный=|место=М. |издательство=ИЛ|год=1956 |том=|страницы=48 |страниц=|isbn=|тираж=|язык=ru}}</ref>{{обновить данные}}. Он равен {{nobr|2,792 847 344 63(82) [[Ядерный магнетон|ядерного магнетона]]}}<ref name=mupsmun>{{CODATA2022|константа= Proton magnetic moment to nuclear magneton ratio |ссылка=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mupsmun}}</ref> или {{nobr|1,410 606 795 45(60)×10<sup>-26</sup> [[Джоуль|Дж]]/[[Тесла (единица измерения)|Тл]]}}<ref name=mup>{{CODATA2022|константа= Proton magnetic moment |ссылка=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mup}}</ref>.

==== Размер ====
Протон, как и любая [[квантовая механика|квантовомеханическая]] система, не имеет чётких границ — составляющие его кварки размазаны в пространстве в соответствии со своей [[волновая функция|волновой функцией]]. Поэтому нельзя однозначно сказать, что такое размер протона — это вопрос соглашения. В качестве размера можно выбрать радиус твёрдого кора ядерных сил, электрический либо магнитный радиус или другую характерную величину размерности длины. Однако чаще всего за размер элементарной частицы принимают среднеквадратический радиус распределения электрического заряда (электрический радиус)<ref name="ФЭ-размер">{{ФЭ|4|статья=«Размер» элементарной частицы}}</ref>.

Измерения электрического радиуса протона с помощью атомов обычного водорода, проводимые разными методами с 1960-х годов, привели ([[CODATA]]-2014) к результату {{nobr|0,8751 ± 0,0061 фм}}<ref>{{cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rp|title=Proton rms charge radius|author=|date=2014|work=Fundamental Physical Constants|publisher=[[NIST]]|accessdate=2016-04-03|lang=en|archive-date=2019-07-21|archive-url=https://web.archive.org/web/20190721104301/https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rp|deadlink=no}}</ref>. Первые эксперименты с атомами [[Мюон#Мюонные атомы|мюонного водорода]] дали для этого радиуса на 4 % меньший результат {{nobr|0,84184 ± 0,00067 фм}}<ref>{{статья |doi=10.1038/nature09250 |заглавие=The size of the proton |издание=Nature |том=466 |номер=7303 |страницы=213—216 |ссылка=http://www.nature.com/nature/journal/v466/n7303/abs/nature09250.html |accessdate=2010-07-09 |pmid=20613837 |bibcode=2010Natur.466..213P |язык=en |автор=Pohl R. et al. |число=8 |месяц=7 |год=2010 |archivedate=2017-09-16 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20170916194036/http://www.nature.com/nature/journal/v466/n7303/abs/nature09250.html }}</ref><ref>{{Cite web |url=http://www.sciencemag.org/content/339/6118/417 |title=Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen |access-date=2013-01-26 |archive-date=2013-01-27 |archive-url=https://web.archive.org/web/20130127032250/http://www.sciencemag.org/content/339/6118/417 |deadlink=no }}</ref>. Причины этого различия окончательно не выяснены. Измерения [[лэмбовский сдвиг|лэмбовского сдвига]] в атоме обычного водорода, проведённые в 2019 году, дали значение {{nobr|0,833 ± 0,010 фм}}, что хотя и согласуется с данными, полученными из мюонного водорода, но по-прежнему противоречит данным старых экспериментов<ref>{{статья|автор=Bezginov N. et al.|заглавие=A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius|издание=Science|volume=365|pages=1007—1012|год=2019|doi=10.1126/science.aau7807|язык=en}}</ref>. Позже в 2019 году были опубликованы результаты эксперимента PRad, выполненного в [[Jlab|Лаборатории Джефферсона]] группой учёных под руководством [[Гаспарян, Ашот|А. Гаспаряна]], в котором для определения радиуса протона использовалось рассеяние электронов. Результат оказался равен {{nobr|0,831 ± 0,007 ± 0,012 фм}}<ref>{{Cite web|url=https://www.sciencedaily.com/releases/2019/11/191106130336.htm|title=New measurement yields smaller proton radius: Physicists get closer to solving the proton radius puzzle with unique new measurement of the charge radius of the proton|publisher=ScienceDaily|lang=en|accessdate=2019-11-09|archive-date=2019-11-07|archive-url=https://web.archive.org/web/20191107222942/https://www.sciencedaily.com/releases/2019/11/191106130336.htm|deadlink=no}}</ref>.
<!-- В 2020 г. немецкие физики с помощью новейшей технологии спектроскопии частотной гребенки экспериментально определили размер ядра атома водорода
с точностью до 13 знаков после запятой; это в два раза точнее, чем все предыдущие измерения
<ref>[https://ria.ru/20201127/proton-1586580653.html Размер протона определён с беспрецедентной точностью] // [[РИА Новости]], </ref>.-->

В наборе данных [[CODATA]]-2022 было зафиксировано значение радиуса, близкое к измеренному на основе спектроскопии мюонного водорода — {{nobr|0,84075 ± 0,00064 фм}}<ref>{{CODATA2022|константа= Proton rms charge radius |ссылка=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rp}}</ref>, и в целом проблема зарядового радиуса протона считается решённой, однако отдельные нестыковки в измерениях всё ещё существуют и обсуждаются<ref>{{Статья|ссылка=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.94.015002|автор=Gao H., Vanderhaeghen M. |заглавие=The proton charge radius|год=2022-01-21|язык=en|издание=Reviews of Modern Physics|том=94|выпуск=1|страницы=015002|issn=0034-6861, 1539-0756|doi=10.1103/RevModPhys.94.015002}}</ref>.

==== Слабый заряд ====
Так называемый [[слабый заряд]] протона <math>Q_w \approx 1 - 4 \sin^2 \theta_W</math>, определяющий его участие в [[Слабое взаимодействие|слабых взаимодействиях]] путём обмена [[Z-бозон]]ом (аналогично тому как электрический заряд частицы определяет её участие в электромагнитных взаимодействиях путём обмена фотоном), составляет {{nobr|0,0719 ± 0,0045}}, согласно экспериментальным измерениям нарушения чётности при рассеянии поляризованных электронов на протонах<ref name=qweak>{{статья
|автор={{nobr|The Jefferson Lab Qweak Collaboration}}
|заглавие=Precision measurement of the weak charge of the proton
|ссылка=http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0096-0
|издание=Nature
|год=2018
|месяц=5
|том=557
|номер=7704
|страницы=207—211
|doi=10.1038/s41586-018-0096-0
|язык=en
}}</ref>. Измеренная величина в пределах экспериментальной погрешности согласуется с теоретическими предсказаниями [[Стандартная модель|Стандартной модели]] ({{nobr|0,0708 ± 0,0003}})<ref name=qweak/>.

==== Время жизни ====
{{main|Распад протона}}

Свободный протон стабилен, экспериментальные исследования не выявили никаких признаков его распада. Нижнее ограничение на [[время жизни]] — {{nobr|2,1{{e|29}} лет}} независимо от канала распада<ref name=Ahm2004>{{статья 
|заглавие=Constraints on Nucleon Decay via Invisible Modes from the Sudbury Neutrino Observatory |издание=[[Physical Review Letters]] 
|том=92 |номер=10 |страницы=102004 |doi=10.1103/PhysRevLett.92.102004 |pmid=15089201 |bibcode=2004PhRvL..92j2004A |arxiv=hep-ex/0310030 
|язык=en |тип=journal |автор=Ahmed  S. et al. |год=2004}}</ref>, {{nobr|1,6{{e|34}} лет}} для распада на [[позитрон]] и нейтральный [[Пион (частица)|пион]], {{nobr|7,7{{e|33}} лет}} для распада на положительный [[мюон]] и нейтральный [[Пион (частица)|пион]]<ref>{{Статья|автор=Abe K. et al. (Super-Kamiokande Collaboration)|год=2017-01-06|doi=10.1103/PhysRevD.95.012004|выпуск=1|страницы=012004|язык=en|издание=Physical Review D|заглавие=Search for proton decay via <math>p\rightarrow e^+\pi^0</math> and <math>p\rightarrow\mu^+\pi^0</math> in 0.31 megaton<math>\cdot</math>years exposure of the Super-Kamiokande water Cherenkov detector|ссылка=http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/_pdf/articles/PhysRevD.95.012004.pdf|том=95|archivedate=2019-04-20|archiveurl=https://web.archive.org/web/20190420044033/http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/_pdf/articles/PhysRevD.95.012004.pdf}}</ref>.

Поскольку протон является наиболее лёгким из [[барион]]ов, стабильность протона является следствием [[закон сохранения барионного числа|закона сохранения барионного числа]] — протон не может распасться на какие-либо более лёгкие частицы (например, позитрон и нейтрино) без нарушения этого закона. Однако многие теоретические расширения [[Стандартная модель|Стандартной модели]] предсказывают процессы (пока не наблюдавшиеся), в которых барионное число не сохраняется и, следовательно, протон может распадаться.

=== Взаимодействия ===
Протон участвует во всех известных взаимодействиях — сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Благодаря сильному взаимодействию, протоны и нейтроны соединяются в [[атомное ядро|атомные ядра]]. Благодаря электромагнитному взаимодействию, ядра и электроны образуют [[атом]]ы, из которых, в свою очередь, состоят [[молекулы]] и макроскопические тела. Слабое взаимодействие протонов приводит, например, к процессам [[бета-распад]]а.

==== Сильное ====
При низких энергиях сильное взаимодействие протонов проявляется как [[ядерные силы]], связывающие протоны и нейтроны в атомных ядрах<ref name="ФЭ"/>. В отличие, например, от электромагнитных, ядерные силы нецентральны и зависят от спинов частиц (поэтому, в частности, протон и нейтрон с параллельно направленными спинами образуют [[связанное состояние]] — [[дейтрон]], а с антипараллельными — нет).

Как показывает эксперимент, ядерные силы обладают свойством ''изотопической симметрии'': они не меняются при замене протонов на нейтроны и наоборот. Поэтому в теории ядерных сил протон и нейтрон часто рассматривают как состояния одной частицы
с [[изотопический спин|изотопическим спином]] 1/2 ([[нуклон]]а), отличающиеся его проекцией (у протона +1/2, у нейтрона −1/2)<ref name="ФЭ"/>.

Ядерные силы можно описать как обмен [[пион (частица)|пионами]] ([[модель Юкавы]]) и в меньшей степени также другими, более тяжёлыми [[мезон]]ами<ref name="ФЭ"/>. Эмпирически найденный [[потенциальная энергия|потенциал]] ядерных сил соответствует притяжению на больших расстояниях и сильному отталкиванию на меньших (около 0,5 фм)<ref name="ФЭ-ЯС">{{ФЭ|5|статья=Ядерные силы}}</ref>. В рамках этой модели протон состоит из тяжёлой сердцевины (кора, от {{lang-en|core}}),
и окружающего его облака виртуальных мезонов (на больших расстояниях — пионов, ближе к центру [[ро-мезон]]ов, [[омега-мезон]]ов и других).

С другой стороны, при [[глубоко неупругое рассеяние|глубоко неупругом рассеянии]] частиц высоких энергий на протонах дело выглядит так, как будто рассеяние происходит на некоторых точечных частицах, находящихся внутри протона. [[Фейнман, Ричард|Фейнман]] назвал их [[партон (частица)|партонами]]. Это и есть кварки<ref name="ФЭ"/>.

При столкновениях протонов высоких энергий друг с другом или с ядрами возникает сильно разогретая [[ядерная материя]] и, возможно, [[кварк-глюонная плазма]].

==== Электромагнитное ====
Электрический заряд протона равен по абсолютной величине и противоположен по знаку заряду электрона. Тот факт, что сумма зарядов протона и электрона равна нулю, проверен с большой точностью, поскольку он означает электрическую нейтральность обычной материи<ref name="АР">{{книга|автор=А. И. Ахиезер, М. П. Рекало|заглавие=Электродинамика адронов|место=К.|год=1977|страницы=12—13}}</ref>.

[[Закон Кулона|Разноимённые заряды притягиваются]], поэтому протон и электрон могут образовать связанное состояние — [[атом водорода]]. Если электрон заменить отрицательно заряженным [[мюон]]ом, образуется похожая на водород система, но примерно в 200 раз меньших размеров — [[мюонный водород]]. Вообще, атомы обычного вещества обязаны своим существованием электромагнитному притяжению между протонами ядра и электронами.

Электрически заряженные элементарные частицы со спином 1/2 описываются [[уравнение Дирака|уравнением Дирака]]. Согласно этому уравнению, [[магнитный момент]] такой частицы должен быть равнен <math>e \hbar/2Mc</math> (эта величина, где <math>M</math> — масса протона, называется [[ядерный магнетон|ядерным магнетоном]]). Однако магнитный момент протона, как было установлено ещё в 1930-х годах, сильно отличается от предсказания теории Дирака (он в 2,79 раза больше). Уже это подсказывает, что протон не является точечной частицей, а имеет какую-то внутреннюю структуру<ref name="ФЭ"/><ref>{{книга|автор=Мухин К. Н. |заглавие=Экспериментальная ядерная физика|место=М.|год=1993|том=1|страницы=85}}</ref>.

Прямое доказательство было получено в опытах [[Хофштадтер, Роберт|Хофштадтера]] ([[Нобелевская премия по физике]] 1961 года)<ref>''Хофштадтер P.'' Структура ядер и нуклонов // [[УФН]]. — 1963. — Т. 81, № 1. — С. 185—200. — ISSN. — URL: http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/ {{Wayback|url=http://ufn.ru/ru/articles/1963/9/e/ |date=20160917152318 }}</ref>. При помощи [[упругое рассеяние|упругого рассеяния]] электронов большой энергии на протонах (что является своего рода аналогом [[электронный микроскоп|электронного микроскопа]]) было показано, что электрический заряд протона не сосредоточен в одной точке, а распределён в области радиусом около 0,8 [[фемтометр|фм]]<ref name="ФЭ"/>. То же самое относится и к магнитному моменту.

В теории электромагнитное взаимодействие протона описывается двумя функциями — электрическим и магнитным [[формфактор (физика)|формфакторами]], которые представляют собой [[фурье-образ]] распределения [[плотность заряда|плотности заряда]] и магнитного момента внутри протона<ref name="LL">{{книга|автор=Берестецкий В. Б., Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. |заглавие=Квантовая электродинамика|место=М.|год=1980|страницы=677—682}}</ref>. Можно рассмотреть среднеквадратические радиусы этих распределений — это так называемые электрический и магнитный радиусы протона.

==== Слабое ====
Протон, как и все адроны, участвует также в слабом взаимодействии.

Известным примером этого является [[электронный захват]] — процесс, когда протон, связанный в атомном ядре, захватывает электрон с K-, L- или M-оболочки атома, превращаясь при этом в нейтрон и испуская [[нейтрино]]: <math>p + e^- \to n + \nu_e</math>. «Дырка» в K-, L- или M-слое, образовавшаяся при электронном захвате, заполняется электроном одного из вышележащих электронных слоев атома с излучением характеристических [[рентгеновские лучи|рентгеновских лучей]], соответствующих атомному номеру <math>Z - 1</math>, и/или [[Эффект Оже|оже-электронов]]. Известно свыше 1000 изотопов от {{sub_sup|4|7}}[[Бериллий|Be]] до {{sub_sup|105|262}}[[Дубний|Db]], распадающихся путём электронного захвата. При достаточно высоких доступных энергиях распада (выше <math>2 m_e</math> ≈ 1,022 МэВ{{уточнить}}) открывается конкурирующий канал распада — [[позитронный распад]] <math>p \to n + e^+ + \nu_e</math> (для свободного протона такой процесс, конечно, запрещён законом сохранения энергии).

Ещё один слабый процесс с участием протона — [[обратный бета-распад]], при помощи которого детектируют нейтрино: <math>p + \tilde \nu_e \to n + e^+</math>.

В основе вышеприведённых процессов лежит обмен [[W-бозон]]ом. Возможен также обмен [[Z-бозон]]ом, который приводит к нарушающим [[P-симметрия|чётность]] эффектам в упругом рассеянии (например, асимметрии упругого рассеяния продольно поляризованных электронов на неполяризованном протоне).

== Роль протонов ==

=== В астрофизике ===
Протон — одна из часто встречающихся во Вселенной частиц. Они содержатся как в [[Звезда|звёздах]], так и в [[межзвёздное пространство|межзвёздном пространстве]].

Первые протоны образовались в эпоху адронизации — спустя {{e|-6|-}}—1 cек после [[Большой взрыв|Большого взрыва]]. Сначала количество протонов и антипротонов во Вселенной было примерно одинаковым, с небольшим избытком протонов; к концу этой эпохи почти все они аннигилировали, а оставшиеся протоны существуют по сей день. В эпоху [[первичный нуклеосинтез|первичного нуклеосинтеза]] (3—20 минут спустя) часть из них вошла в состав ядер элементов тяжелее водорода (дейтерия, гелия, лития)<ref name="Сурдин">{{книга|заглавие=Галактики|ответственный=Ред.-сост. В. Г. Сурдин|место=М.|издательство=Физматлит|год=2013|страницы=12—13}}</ref>.

Протоны принимают участие в [[термоядерные реакции|термоядерных реакциях]], которые являются основным источником энергии, генерируемой звёздами. В частности, реакции [[pp-цикл|''pp''-цикла]], который является источником почти всей энергии, излучаемой [[Солнце]]м, сводятся к соединению четырёх протонов в [[альфа-частица|ядро гелия-4]] с превращением двух протонов в нейтроны.

В большом количестве протоны содержатся в [[солнечный ветер|солнечном ветре]].

Также протоны являются основным компонентом первичных [[космические лучи|космических лучей]] — более 90 % их составляют протоны. В космических лучах встречаются протоны с энергиями до {{e|20|-}} эВ, — на много порядков больше, чем можно достичь на современных [[Ускоритель заряженных частиц|ускорителях]].

=== В химии ===
С точки зрения химии, протон есть положительный [[ион]] водорода (точнее, его лёгкого изотопа — [[протий|протия]]) — H<sup>+</sup>. Он отличается от остальных химически значимых ионов тем, что не содержит ни одного электрона.
Поэтому его размер на несколько порядков меньше. Отсюда, например, его способность проникать вглубь других молекул, образуя [[водородные связи]]<ref name="ФЭ-межатомное">{{ФЭ|3|статья=Межатомное взаимодействие}}</ref>.

Протон является мощным акцептором электронов и, соответственно, участвует в реакциях [[Донорно-акцепторное взаимодействие|донорно-акцепторного взаимодействия]]. Протонирование — присоединение протона к молекуле — имеет важное
значение во многих химических реакциях, например, при [[Нейтрализация|нейтрализации]], [[Электрофильное присоединение|электрофильном присоединении]] и [[Электрофильное замещение|электрофильном замещении]], образовании [[Ониевые соединения|ониевых соединений]]<ref>{{книга
 |заглавие      = Химический энциклопедический словарь
 |ссылка      = https://archive.org/details/isbn_2001440014
 |ответственный = гл. редактор И. Л. Кнунянц
 |место         = М.
 |издательство  = «Советская энциклопедия»
 |год           = 1983
 |страниц       = 792
 |страницы      = [https://archive.org/details/isbn_2001440014/page/n483 484]
}}</ref>.

Источником протонов в химии являются [[неорганические кислоты|минеральные]] и [[органические кислоты]]. В водном растворе кислоты способны к [[диссоциация (химия)|диссоциации]] с отщеплением протона, образующего [[гидроксоний|катион гидроксония]].

В газовой фазе протоны получают [[Ионизация|ионизацией]] — отрывом электрона от [[Атом водорода|атома водорода]]. [[Энергия ионизации|Потенциал ионизации]] невозбуждённого атома водорода составляет {{nobr|13,595 эВ}}.
При ионизации [[Водород|молекулярного водорода]] быстрыми электронами при атмосферном давлении и комнатной температур первоначально образуется [[молекулярный ион водорода]] (H<sub>2</sub><sup>+</sup>) — физическая система, состоящая из двух протонов, удерживающихся вместе на расстоянии {{nobr|1,06 [[Ангстрем|Å]]}} одним электроном. Стабильность такой системы, по [[Полинг Лайнус Карл|Полингу]], вызвана [[Теория резонанса|резонансом]] электрона между двумя протонами с «резонансной частотой», равной 7{{e|14}} Гц<ref>{{книга|автор  = Паулинг Л. |заглавие = Природа химической связи |издательство  = Госхимиздат |год   = 1947 |страниц = 440 |страницы  = 26}}</ref>. При повышении температуры до нескольких тысяч градусов состав продуктов ионизации водорода изменяется в пользу протонов.

=== В экспериментальной физике частиц ===
Ввиду стабильности и простоты получения (из водорода), протоны часто используются в экспериментальной [[Физика элементарных частиц|физике элементарных частиц]] как в качестве мишени, так и в качестве частиц пучка. В первом случае мишенью может служить какой-нибудь богатый водородом материал, например, [[жидкий водород]], [[парафин]] или [[полиэтилен]]<ref>{{книга|автор=Мухин К. Н. |заглавие=Экспериментальная ядерная физика|место=М.|год=1993|том=2|страницы=64}}</ref>.

Пучки протонов высокой энергии создаются на [[Ускоритель заряженных частиц|ускорителях]]. Они используются для изучения всевозможных процессов рассеяния, а также для получения пучков нестабильных частиц, таких, как пионы, [[каон]]ы и [[гиперон]]ы<ref name="ФЭ"/>. Большая часть открытий в физике элементарных частиц до 1980-х годов сделана на протонных [[синхротрон]]ах<ref name="ФЭ-ускорители">{{ФЭ|5|статья=Ускорители заряженных частиц}}</ref>. Наиболее мощный на сегодня ускоритель — [[Большой адронный коллайдер]] ({{lang-en|Large hadron collider, LHC}}) — разгоняет протоны до энергии 6,5 ТэВ<ref name="PDG">[https://pdg.lbl.gov/2020/reviews/rpp2020-rev-accel-phys-colliders.pdf Accelerator physics of colliders] {{Wayback|url=https://pdg.lbl.gov/2020/reviews/rpp2020-rev-accel-phys-colliders.pdf |date=20200928023207 }} — Particle Data Group.</ref>.

=== В медицине ===
Пучки ускоренных протонов применяются для лечения онкологических заболеваний ([[протонная терапия]])<ref>{{статья|автор=Гольдин Л. Л., Джелепов В. П., Ломанов М. Ф., Савченко О. В., Хорошков В. С.|заглавие=Применение тяжелых заряженных частиц высокой энергии в медицине|издание=[[Успехи физических наук]]|год=1973|том=110|выпуск=|страницы=77—99|ссылка=https://ufn.ru/ru/articles/1973/5/c/|doi=|arxiv=|язык=ru|издательство=[[Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН|Российская академия наук]]|archivedate=2017-09-30|archiveurl=https://web.archive.org/web/20170930131325/https://ufn.ru/ru/articles/1973/5/c/}}</ref><ref name="WMN201709">{{статья |автор=Кокурина E. |заглавие=Лечебная подводная лодка |издание=[[В мире науки]] |год=2017 |номер=8/9 |страницы=40—48 |ссылка=https://sciam.ru/articles/details/lechebnaya-podvodnaya-lodka |archivedate=2017-09-30 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20170930174957/https://sciam.ru/articles/details/lechebnaya-podvodnaya-lodka }}</ref>.

== История открытия ==
Идея о водородоподобной частице как составной части других атомов развивалась в течение долгого времени. В 1815 году английский химик [[Праут, Уильям|Уильям Праут]] предположил, что все атомы состоят из атомов водорода (которые он назвал «''protyle''»), исходя из того, что атомные массы элементов приблизительно кратны массе атома водорода ([[гипотеза Праута]])<ref name="Lecturer2006">{{книга |заглавие=The Periodic Table : Its Story and Its Significance: Its Story and Its Significance |издательство=[[Издательство Оксфордского университета|Oxford University Press]] |isbn=978-0-19-534567-4 |язык=en |автор=Department of Chemistry and Biochemistry UCLA Eric R. Scerri Lecturer |день=12 |месяц=10 |год=2006}}</ref>.

В 1886 году [[Гольдштейн, Ойген|Ойген Гольдштейн]] открыл [[каналовые лучи]] (известные также как [[анодные лучи]]) и показал, что это — положительно заряженные частицы. [[Вильгельм Вин]] в 1898 году доказал, что самые лёгкие из них — ионы водорода (то есть протоны). Действуя на движущиеся протоны электрическими и магнитными полями, Вин измерил отношение заряда протона к его массе<ref name="Wien1904">{{статья |автор=Wien W. |заглавие=Über positive Elektronen und die Existenz hoher Atomgewichte |издание=[[Annalen der Physik]] |год=1904 |том=318 |номер=4 |страницы=669—677 |doi=10.1002/andp.18943180404 |bibcode=1904AnP...318..669W |ref=Wien |язык=de}}</ref>.

В 1917 году [[Резерфорд, Эрнест|Резерфорд]] заметил, что когда альфа-частицы попадают в воздух, на [[сцинтилляционный детектор|сцинтилляционных детекторах]] появляются вспышки от других, более лёгких (судя по длине пробега) частиц. В чистом азоте они появлялись чаще. В [[1919 год в науке|1919 году]] Резерфорд сделал вывод:
<blockquote>
Исходя из полученных до сих пор результатов, трудно избежать заключения, что атомы с большой длиной пробега, появившиеся при столкновении α-частиц с атомами азота, суть не атомы азота, а, по-видимому, атомы водорода или атомы с массой 2.
Если это действительно так, то нам следует сделать вывод, что под действием мощных сил, возникающих при столкновении с быстрой α-частицей, атом азота расщепляется и что освободившийся при этом атом водорода является составной частью ядра азота.
</blockquote>
Это событие часто называют открытием протона<ref name="Petrucci2002">{{книга |автор=Petrucci R. H., Harwood W. S., Herring F. G.|заглавие=General Chemistry|ссылка=https://archive.org/details/generalchemistry00hill|место= Upper Saddle River, N.J.|издательство= Prentice Hall|год=2002 |издание=8th Ed.|страницы=[https://archive.org/details/generalchemistry00hill/page/41 41] |язык=en}}</ref>.

Название «протон» предложил Резерфорд в 1920 году<ref name="Pais1986">{{книга |автор=Pais A. |заглавие=Inward Bound |ссылка=https://archive.org/details/inwardboundofmat00pais_0 |издательство=[[Издательство Оксфордского университета|Oxford University Press]]|год=1986|isbn=0198519974 |страницы=[https://archive.org/details/inwardboundofmat00pais_0/page/296 296] |ref=Pais  |язык=en }}; утверждается, что термин «протон» был впервые использован в статье {{статья |doi=10.1038/106357a0
|заглавие=Physics at the British Association |ссылка=https://archive.org/details/sim_nature-uk_1920-11-11_106_2663/page/n25
|издание=[[Nature]] |том=106 |номер=2663 |страницы=357—358|bibcode=1920Natur.106..357. |год=1920 |язык=en }}</ref>.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
{{Викисловарь|протон}}
* Многие известные свойства протона систематически изложены в публикации Particle Data Group. [http://pdg.lbl.gov/2009/listings/rpp2009-list-p.pdf]{{ref-en}}
* {{книга | автор = [[Широков, Юрий Михайлович|Широков Ю. М.]], [[Юдин, Николай Прокофьевич|Юдин Н. П.]] | заглавие = Ядерная физика | место = М. | издательство  = Наука | год = 1972 | страниц = 670 | isbn = | ref = Широков}}
* ''[[Резерфорд, Эрнест|Резерфорд Э.]]'' Избр. научные труды. Кн. 2 — Строение атома и искусственное превращение элементов, пер. с англ. М., 1972.
* {{статья|автор=Жакоб М., Ландшофф П.|заглавие=Внутренняя структура протона|издание=[[Успехи физических наук]]|ссылка=https://ufn.ru/ufn81/ufn81_3/Russian/r813d.pdf|год=1981|выпуск=3|том=133|страницы=505—524|doi=10.3367/UFNr.0133.198103d.0505|язык=ru|издательство=[[Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН|Российская академия наук]]}}
* {{книга | автор  = Дрелл С. Д., Захариазен Ф. | заглавие = Электромагнитная структура нуклонов | место  = М. | издательство  = ИЛ | год  = 1962 | страниц  = 175 | isbn = |ref  = Дрелл}}
* {{книга | автор  = [[Шелест, Виталий Петрович|Шелест В. П.]]
 | заглавие = Лекции о структуре и свойствах адронов
 | место  = М
 | издательство  = Атомиздат
 | год  = 1976
 | страниц  = 248
 | isbn =
 |ref  = Шелест
}}

{{внешние ссылки}}
{{Частицы}}

[[Категория:Барионы]]
[[Категория:Заряженные элементарные частицы]]
[[Категория:Протон|*]]
[[Категория:Стабильные элементарные частицы]]
[[Категория:Субатомные частицы]]
[[Категория:Ядра изотопов водорода]]