I
Прото́н (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 (См.
Планка постоянная)
ħ), и как частица с полуцелым спином П. подчиняется Ферми - Дирака статистике (См.
Ферми - Дирака статистика) (является фермионом). Магнитный момент П. равен μ
р = (2,7928456 ± 0,0000011) μ
я, где μ
я - ядерный
Магнетон. Вместе с
Нейтронами П. образуют ядра атомные (См.
Ядро атомное) всех химических элементов, при этом число П. в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодической системе элементов (См.
Периодическая система элементов)
. Свободные П. составляют основную часть первичной компоненты космических лучей (См.
Космические лучи)
. Существует античастица (См.
Античастицы) 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 α-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 (См.
Барионы);
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 (См.
Мезоны) 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 (См.
Виртуальные частицы),
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., γ-квантом с энергией порядка 150
Мэв и более. Взаимодействием П. с виртуальными π+-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 (См.
Дирака уравнение)). В 1950-х гг. в опытах по рассеянию на П. электронов и γ-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 μ
р). 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 (См.
Слабые взаимодействия)
с участием П. являются внутриядерные превращения П. в нейтрон и наоборот (
Бета-распад ядер и
К-захват). В 1953 наблюдался процесс, обратный (β-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: π
- и К-мезонов, антипротонов, мюонов (См.
Мюоны)
. К 1973 получены обнадёживающие результаты по использованию пучков ускоренных П. в медицине (в лучевой терапии (См.
Лучевая терапия)).
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.
II
Прото́н ("Прото́н",)
наименование серии сов. тяжёлых исследовательских искусственных спутников Земли (ИСЗ) с научным оборудованием для изучения космических лучей и взаимодействия с веществом частиц сверхвысоких энергий.
"П.-1" запущен 16 июля 1965, "П.-2" - 2 ноября 1965, "П.-3" - 6 июля 1966. Масса каждого "П." (с оборудованием, размещенным на последней ступени ракеты-носителя (См.
Ракета-носитель)) 12,2
т; масса комплекса научной аппаратуры 3,5
т. Их орбиты имели высоту перигея 190
км при высоте апогея около 630
км. В состав научной аппаратуры входил ионизационный калориметр для изучения частиц с энергией до 10
13 эв. "П.-4" запущен 16 ноября 1968. Оборудован уникальным комплексом научной аппаратуры, позволившей расширить диапазон исследуемых энергий до 10
15 эв. Масса "П.-4" (без последней ступени ракеты-носителя) около 17
т; масса комплекса научной аппаратуры 12,5
т. Орбита "П.-4" имела высоту перигея 255
км при высоте апогея 495
км. На ИСЗ серии "П." изучались энергетический спектр и химический состав частиц первичных космических лучей, интенсивность и энергетический спектр гамма-лучей и электронов галактического происхождения.
Запуски "П." осуществлялись многоступенчатой мощной ракетой-носителем с многодвигательной установкой. Суммарная максимальная полезная мощность двигательных установок свыше 44 Гвт, или 60 млн. л. с. Ракета-носитель "П." отличается высокими эксплуатационными и энергетическими характеристиками, в основном определяемыми мощными жидкостными ракетными двигателями, работающими по схеме с дожиганием генераторного газа. Значительное давление в системе двигателей и обеспечение высокой степени полноты сгорания, а также реализации равномерного и равновесного истечения продуктов сгорания из сопел с большой степенью расширения позволили создать мощные малогабаритные двигатели.