Протон

Протон (далее П) (от греч. protos - первый; символ р), стабильная элементарная частица, ядро 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 момент П равен mр = (2,7928456 ± 0,0000011) mя, где mя - ядерный магнетон. Вместе с нейтронами П образуют ядра атомные всех элементов, при этом число П в ядре равно 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 В 1919-20 Э. Резерфорд экспериментально наблюдал ядра выбитые a-частицами из ядер др. элементов; он же в начале 20-х гг. ввел термин "П". Трудность, заключающаяся в том, что номера элементов меньше их масс, была окончательно устранена лишь в 1932 открытием нейтрона.   П является сильно взаимодействующей частицей (адроном) и относится к "тяжелым" адронам - барионам; барионный заряд П В = + 1. Закон сохранения заряда объясняет стабильность П - самого легкого из 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 = 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 дает 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 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 момента П, что свидетельствует о наличии внутренней структуры П Влияние "размазывания" заряда и момента на взаимодействие П с электронами учитывается обычно введением электрического и 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 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 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 ( 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 обнадеживающие результаты по использованию пучков ускоренных П в медицине (в лучевой терапии).     Лит.: Резерфорд Э., Избр. научные труды, книга 2 - Строение 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 тяжелых заряженных частиц высокой энергии в медицине, "Успехи физических наук", 1973, т. 110, в. 1, с. 77-99.   Э. А. Тагиров.