Протон

Протон (от греч. protos — первый; символ р), стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. П. имеет массу mp = (1,6726485 ± 0,0000086)×10-24 г (mp " 1836 me " 938,3 Мэв/с2 где me — масса электрона, с — скорость света) и положительный электрический заряд е = (4,803242 ± 0,000014) ×10-10 единиц заряда в системе СГС. Спин П. равен 1/2 (в единицах Планка постоянной ), и как частица с полуцелым спином П. подчиняется Ферми — Дирака статистике (является фермионом). Магнитный момент П. равен mр = (2,7928456 ± 0,0000011) mя, где mя — ядерный магнетон. Вместе с нейтронами П. образуют ядра атомные всех химических элементов, при этом число П. в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодической системе элементов. Свободные П. составляют основную часть первичной компоненты космических лучей. Существует античастица по отношению к П. — антипротон.

Представление о П. возникло в 1910-х гг. в виде гипотезы о том, что все ядра составлены из ядер атома водорода. В 1919—20 Э. Резерфорд экспериментально наблюдал ядра водорода, выбитые a-частицами из ядер др. элементов; он же в начале 20-х гг. ввёл термин "П.". Трудность, заключающаяся в том, что атомные номера элементов меньше их атомных масс, была окончательно устранена лишь в 1932 открытием нейтрона.

П. является сильно взаимодействующей частицей (адроном) и относится к "тяжёлым" адронам — барионам; барионный заряд П. В = + 1. Закон сохранения барионного заряда объясняет стабильность П. — самого лёгкого из барионов. П. участвуют также во всех других видах фундаментальных взаимодействий элементарных частиц — электромагнитном, слабом и гравитационном.

В сильном взаимодействии П. и нейтрон имеют совершенно одинаковые свойства и поэтому рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы — нуклона. Возможность объединения адронов в такого рода семейства частиц с общими свойствами — изотонические мультиплеты (см. Изотопическая инвариантность) — учитывается введением квантового числа "изотопический спин"; изотопический спин нуклона I = 1/2. Важнейшим примером сильного взаимодействия с участием П. являются ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре. Экспериментальное исследование сильного взаимодействия в большой мере основано на опытах по рассеянию П. и мезонов на П., в которых были открыты, в частности, новые сильно взаимодействующие частицы — антипротон, гипероны, резонансы. Теоретическое объяснение свойств П. затруднено отсутствием удовлетворительной теории сильного взаимодействия. Общий подход, который даёт лишь качественное объяснение, состоит в предположении, что П. окружен "облаком" виртуальных частиц,которые он непрерывно испускает и поглощает. Сильное взаимодействие П. с др. частицами рассматривается как процесс обмена виртуальными адронами (см. Сильные взаимодействия, Множественные процессы).

Электромагнитные свойства П. неразрывно связаны с его участием в более интенсивном сильном взаимодействии. Примером такой связи является фоторождение мезонов, которое можно рассматривать как выбивание мезонов из облака виртуальных адронов, окружающих П., g-квантом с энергией порядка 150 Мэв и более. Взаимодействием П. с виртуальными p+-мезонами качественно объясняется большое отличие магнитного момента П. от ядерного магнетона (которому он должен быть равен, если ограничиться только квантовомеханическим описанием на основе Дирака уравнения). В 1950-х гг. в опытах по рассеянию на П. электронов и g-квантов Р. Хофштадтером и др. (США) было обнаружено пространственное распределение электрического заряда и магнитного момента П., что свидетельствует о наличии внутренней структуры П. Влияние "размазывания" заряда и магнитного момента на взаимодействие П. с электронами учитывается обычно введением электрического и магнитного формфакторов — множителей, квадраты которых характеризуют уменьшение сечения рассеяния на реальном, физическом П. по сравнению с рассеянием на точечной частице (т. е. на частице с точечным зарядом е и точечным магнитным моментом mр). Полученные данные по неупругому рассеянию электронов с энергией до 21 Гэв на П., по-видимому, означают, что в П. существуют точечноподобные рассеивающие центры (т. н. партоны).

Примерами слабого взаимодействия с участием П. являются внутриядерные превращения П. в нейтрон и наоборот (бета-распад ядер и К-захват). В 1953 наблюдался процесс, обратный (b-распаду, — образование нейтрона и позитрона при поглощении свободным П. антинейтрино, что было первым прямым экспериментальным доказательством существования нейтрино.

Ввиду стабильности П., наличия у него электрического заряда и относительной простоты получения П. ионизацией водорода пучки ускоренных П. являются одним из основных инструментов экспериментальной физики элементарных частиц. Очень часто и мишенью в опытах по соударению частиц также являются П. — свободные (водород) или связанные в ядрах. Крупнейшие ускорители П. — Серпуховский ускоритель на 76 Гэв (СССР) и ускоритель в Батавии на 400 Гэв (США). Максимальная эквивалентная энергия при столкновении П. около 1500 Гэв достигнута в ускорителе со встречными протонными пучками (каждый с энергией 28 Гэв) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария). Ускоренные П. используются не только для изучения рассеяния самих П., но также и для получения пучков др. частиц: p- и К-мезонов, антипротонов, мюонов. К 1973 получены обнадёживающие результаты по использованию пучков ускоренных П. в медицине (в лучевой терапии).

Лит.: Резерфорд Э., Избр. научные труды, книга 2 — Строение атома и искусственное превращение элементов, пер, с англ., М., 1972; Бейзер А., Основные представления современной физики, пер. с англ., М., 1970; Барчер В. Д., Клайн Д. Б., Рассеяние при высоких энергиях, в сборнике: Элементарные частицы, в. 9, М., 1973; Кендалл Г. В., Паневский В. К. Г., Структура протона и нейтрона, там же; Гольдин Л. Л. [и др.], Применение тяжёлых заряженных частиц высокой энергии в медицине, "Успехи физических наук", 1973, т. 110, в. 1, с. 77—99.

Э. А. Тагиров.