Protone

Protone Rappresentazione schematica della composizione del quark di valenza di un protone, con due quark u e un quark d. La forte interazione è trasmessa dai gluoni (rappresentati qui da una traccia sinusoidale). Il colore dei quark si riferisce ai tre tipi di cariche dell'interazione forte: rosso, verde e blu. La scelta del colore fatta qui è arbitraria, con la carica di colore che scorre attraverso i tre quark. Proprietà generali
Classificazione Particella composita ( barione )
Composizione 2 quark up (u)
1 quark down (d)
Famiglia Fermione
Gruppo Barione ( nucleone )
Interazioni Forte , elettromagnetico , debole , gravitazionale
Simbolo p, p +
Antiparticella Antiprotone
Proprietà fisiche
Massa 938,272 MeV / c 2
(1,672 649 × 10 −27  kg )
(1,0072765 u )
Carica elettrica + e = 1,602 176565 × 10 −19 C
Raggio di carico 0,877  fm
0,84184 fm (vedere problema della dimensione del protone )
Momento dipolare < 5,4  × 10 −24  C m
Polarizzabilità elettrica 1,2 (6) × 10 −3  fm 3
Momento magnetico 2.792 847 351 (28) μ N
Polarizzabilità magnetica 1,9 (5) × 10 −4  fm 3
Carica di colore 0
Rotazione ½
Isospin ½
Parità +1
Tutta la vita Teoria: infinita (particella stabile) o ~ 10 34  anni
Esperienza:> 5,9 × 10 33  anni
Forma condensata ½
Storico
Predizione William Prout , 1815
Scoperta 1919
Scopritore Ernest Rutherford

Il protone è una particella subatomica che trasporta una carica elettrica elementare positiva.

I protoni sono presenti nei nuclei atomici , solitamente legati ai neutroni da una forte interazione (l'unica eccezione, ma quella del nuclide più abbondante nell'universo , è il nucleo di idrogeno ordinario ( protium 1 H), un singolo protone). Il numero di protoni di un nucleo è rappresentato dal suo numero atomico Z .

Il protone non è una particella elementare ma una particella composita . È composto da tre particelle legate da gluoni , due quark up e un quark down , il che lo rende un barione .

Nell'ambito del Modello Standard della fisica delle particelle , e anche sperimentalmente allo stato attuale delle nostre conoscenze, il protone è stabile anche allo stato libero, al di fuori di qualsiasi nucleo atomico. Alcune estensioni del modello standard prevedono un'instabilità (estremamente bassa) del protone libero .

Storico

Il concetto di una particella simile a idrogeno , altri atomi costituenti, sviluppato gradualmente nel corso del XIX °  secolo e l'inizio del XX °  secolo. Già nel 1815 , William Prout ipotizzato che tutti gli atomi sono composti di atomi di idrogeno, sulla base di interpretazioni dei valori delle masse atomiche; questa ipotesi risulta falsa quando questi valori vengono misurati con maggiore precisione.

Nel 1886 , Eugen Goldstein scoprì i raggi del canale e dimostrò che sono composti da particelle caricate positivamente ( ioni ) prodotte dai gas. Tuttavia, poiché gli ioni prodotti da gas diversi hanno rapporti carica / massa diversi, non vengono identificati come una singola particella, a differenza dell'elettrone scoperto da Joseph Thomson nel 1897 .

In seguito alla scoperta del nucleo atomico da parte di Ernest Rutherford nel 1911 , Antonius van den Broek ipotizzò che la posizione di ogni elemento nella tavola periodica fosse uguale alla carica del suo nucleo. Questa ipotesi fu confermata sperimentalmente da Henry Moseley nel 1913 .

Nel 1919 , Rutherford dimostrò che il nucleo dell'atomo di idrogeno è presente in altri nuclei. Nota che quando le particelle alfa vengono inviate in un gas azoto , i suoi rivelatori a scintillazione indicano la firma dei nuclei di idrogeno. Quindi determina che questo idrogeno può provenire solo dall'azoto. Questo nucleo di idrogeno è quindi presente all'interno di un altro nucleo. Rutherford battezza la particella corrispondente con il nome protone, dopo il neutro singolare della parola greca per "primo", πρῶτον .

Caratteristiche fisiche

Descrizione

Il protone è un fermione di spin 1/2. È composto da tre quark di valenza, il che lo rende un barione . I due quark up e il quark down del protone sono legati dalla forte interazione , trasmessa dai gluoni , questi gluoni scambiati tra i quark e che, per l'energia di legame che rappresentano, costituiranno circa il 99% della massa del protone. Oltre a questi tre quark di valenza (che determinano i numeri quantici della particella) e gluoni, il protone, come gli altri adroni , è costituito da un "mare" di coppie di quark-antiquark virtuali che appaiono e scompaiono in permanenza. I numeri quantici di queste coppie virtuali si annullano a vicenda in media, non contribuendo così a quelli del protone.

Come il neutrone , il protone è un nucleone e può essere collegato ad altri nucleoni dalla forza nucleare all'interno di un nucleo atomico . Il nucleo dell'isotopo più comune dell'idrogeno è un singolo protone. Il nucleo degli isotopi più pesanti, il deuterio e il trizio contengono un protone legato rispettivamente a uno e due neutroni. Tutti gli altri nuclei atomici sono costituiti da due o più protoni e un numero di neutroni. Il numero di protoni in un nucleo determina (tramite gli elettroni ad esso associati) le proprietà chimiche dell'atomo e quindi quale elemento chimico rappresenta.

La massa del protone è pari a circa 1,007 276 5  u , o circa 938,272 0  M eV / c 2 o 1,672 62 × 10 −27  kg . La massa del protone è circa 1.836,15 volte quella dell'elettrone . La sua carica elettrica è esattamente uguale a una carica elementare positiva ( e ), cioè +1.602 176 565 × 10 −19  C  ; l'elettrone ha una carica elettrica negativa, di valore opposto a quella del protone. La carica elettrica del protone è uguale alla somma delle cariche elettriche dei suoi quark: quella di ogni quark up è uguale a +2/3e e quello del quark down -1/3e . Il suo raggio è di circa 0,84  fm .

Dimensioni

Essendo una particella composita , il protone non è puntuale . La sua dimensione può essere definita come il suo raggio di carico , cioè il raggio quadrato medio della radice della sua distribuzione del carico.

Per diversi decenni e fino al 2010, le misurazioni del raggio di carica del protone, ottenute con metodi diversi, sono consistenti intorno a 0,88  fm , con una migliore stima di 0,8768 (69)  fm . Nel 2010 un nuovo metodo, che coinvolge l' idrogeno muonico , ha fornito un nuovo valore molto preciso, ma incompatibile con i precedenti: 0.841 84 (67)  fm .

Gli anni successivi hanno visto l'accumulo di risultati, ottenuti con metodi diversi, che sono stati distribuiti tra valori alti (circa 0,877  fm ) e valori bassi (0,83-0,84  fm ), in linea di principio molto precisi ma incompatibili, senza decidere ancora tra di loro alla fine del 2019.

Struttura

Il protone non contiene solo i tre cosiddetti quark di “valenza” (due ue uno d), la cui massa rappresenta solo una piccola percentuale della massa totale. Contiene anche molte particelle effimere, gluoni e coppie quark-antiquark (quark "marini") derivanti dal decadimento dei gluoni.

Ogni coppia quark-antiquark è costituita da un quark u e dalla sua antiparticella, o da un quark d e dalla sua antiparticella. I quark u e d aventi masse molto simili, le coppie dei due tipi dovrebbero essere presenti in proporzioni ugualmente simili. Nel 2021, l'analisi delle collisioni protone-protone ha mostrato che d antiquark sono più abbondanti di u antiquark ("asimmetria del sapore"). Questo risultato, ancora inspiegabile, è senza dubbio legato al problema dell'asimmetria materia-antimateria .

Pressione interna

Essendo il protone costituito da quark confinati per la presenza di gluoni , possiamo definire l'equivalente di una pressione avvertita dai quark. Possiamo calcolare la distribuzione, a seconda della distanza dal centro, utilizzando lo scattering Compton di elettroni molto energico (DVCS per lo scattering Compton profondamente virtuale ).

Stabilità

Il protone libero (non legato ad altri nucleoni o agli elettroni) è una particella stabile, il cui decadimento spontaneo in altre particelle non è mai stato osservato. La sua emivita è stata misurata come maggiore di 6,6 × 10 33  anni. La sua durata media è di almeno circa 2,1 × 10 29  anni.

D'altra parte, i protoni possono essere trasformati in neutroni, mediante cattura elettronica . Questo processo non è spontaneo e richiede un input di energia. La reazione produce un neutrone e un neutrino elettronico  :

Il processo è reversibile: i neutroni possono trasformarsi in protoni attraverso il decadimento beta , una forma di decadimento radioattivo . Infatti, un neutrone libero decade in questo modo con una vita media di circa 15 minuti.

Chimica

In chimica e biochimica , il termine protone si riferisce più spesso al catione H + , poiché un atomo di idrogeno privato del suo singolo elettrone si riduce a un protone. Da questo nome derivano le espressioni comuni in chimica della proticità , solvente protico / solvente aprotico , reazione di protonazione / deprotonazione, NMR del protone ,  ecc.

In soluzione acquosa , un protone normalmente non è distinguibile perché si associa molto facilmente con le molecole d'acqua per formare lo ione ossonio (anche, e erroneamente, chiamato ione idronio ) H 3 O +.

L' Unione Internazionale di Chimica Pura e Applicata afferma esplicitamente che la parola protone non dovrebbe essere usata per denotare la specie H + nella sua naturale abbondanza. Infatti, oltre ai protoni ( 1 H + , indicato anche semplicemente H + in assenza di ambiguità), gli ioni corrispondenti all'isotopo dell'idrogeno chiamato protio ( 1 H, o semplicemente H in assenza di ambiguità), gli ioni H + dall'idrogeno naturale possono essere deuteroni ( 2 H + o D + ) o tritoni ( 3 H + o T + ), corrispondenti rispettivamente agli isotopi chiamati deuterio ( 2 H o D) e trizio ( 3 H o T).

Note e riferimenti

Appunti

  1. Questa notazione indica tra parentesi l'incertezza (due deviazioni standard ) relativa alle ultime cifre: 0,8768 (69) è equivalente a 0,876 8 ± 0,006 9).

Riferimenti

  1. Adair, RK, The Great Design: Particles, Fields, and Creation , Oxford University Press , 1989, p.  214.
  2. Eric Simon, "  La differenza di massa tra protoni e neutroni ottenuti dal calcolo per la prima volta  " , il ca-se-passe-la-haut.fr ,17 aprile 2015(visitato il 18 marzo 2016 ) .
  3. CODATA 2010.
  4. Futura-Sciences, "  Quando sarà protoni scomparire dal universo?"  » , On Futura-Sciences (consultato il 9 maggio 2016 ) .
  5. (it) "  p  " [PDF] , Particle Data Group,2009.
  6. (en) Randolf Pohl et al. , "  La dimensione del protone  " , Nature , vol.  466,8 luglio 2010, p.  213-216 ( ISSN  0028-0836 , DOI  10.1038 / nature09250 ).
  7. Gennaio Bernauer e Randolph Pohl, Proton, a major problem , For Science , n °  439,Maggio 2014.
  8. Carl E. Carlson , "  The proton radius puzzle  " , Progress in Particle and Nuclear Physics , vol.  82,1 ° maggio 2015, p.  59-77 ( DOI  10.1016 / j.ppnp.2015.01.002 , arXiv  1502.05314 , letto online , accesso 9 maggio 2016 ).
  9. (a) Haiyan Gao, "  Antimateria in protone è più basso rispetto up  " , Nature , vol.  590,24 febbraio 2021, p.  559-560 ( DOI  10.1038 / d41586-021-00430-3 ).
  10. (en) J. Dove, B. Kerns, RE McClellan, S. Miyasaka, DH Morton et al. , "  L'asimmetria dell'antimateria nel protone  " , Nature , vol.  590,24 febbraio 2021, p.  561-565 ( DOI  10.1038 / s41586-021-03282-z ).
  11. (in) VD Burkert, L. Elouadrhiri e FX Girod, "  La distribuzione della pressione all'interno del protone  " , Nature , vol.  557,17 maggio 2018, p.  396-399 ( DOI  10.1038 / s41586-018-0060-z ).
  12. (in) Krešimir Kumerički, "  Misurabilità della pressione all'interno del protone  " , Nature , vol.  570,6 giugno 2019, E1 - E2 ( DOI  10.1038 / s41586-019-1211-6 ).
  13. (in) H. Nishino et al. , "  Ricerca del decadimento del protone tramite p → e + π 0 e p → μ + π 0 in un rivelatore Cherenkov ad acqua grande  " , Phys. Rev. Lett. , vol.  102, n o  14,8 aprile 2009, p.  141801-141805 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.102.141801 ).
  14. (in) SN Ahmed et al. , "  Vincoli sul decadimento del nucleone tramite modalità invisibili dal Sudbury Neutrino Observatory  " , Phys. Rev. Lett. , vol.  92,10 marzo 2004, p.  102004-102007 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.92.102004 ).
  15. (in) "  Protium  " su goldbook.iupac.org ,24 febbraio 2014.

Vedi anche

Articoli Correlati

link esterno