Պրոտոն

Պրոտոն (հին հունարեն՝ πρῶτος — առաջին, հիմնական բառից), նշանակումը՝ p+, հադրոնների դասի դրական լիցք ունեցող տարրական մասնիկ է, որը նեյտրոնների հետ կազմում են ատոմի միջուկը։

Պրոտոնի լիցքը բացարձակ արժեքով հավասար է էլեկտրոնի լիցքին։ Բոլոր հայտնի փոխազդեցություների նկատմամբ պրոտոնը կայուն է, մի բան, որ բարիոնային լիցքի պահպանման օրենքի դրսևորումն է։ Պրոտոնները կազմում են քիմիական տարրերի միջուկի լիցքը, այնպես որ տվյալ միջուկի լիցքը հավասար է իր կազմի մեջ մտնող պրոտոնների թվին։

 Առաջացում 
Պրոտոնները սպինը- ֆերմիոններից են և կազմված են երեք վալենտային քվարկներից՝ դրանք դարձնելով բարիոններ (հադրոնների ենթատեսակ)։ Պրոտոնի երկու վերև քվարկները և մեկ ներքև քվարկը միասին են պահվում ուժեղ ուժի միջոցով, որը միջնորդում է գլյուոնները: 21–22  Ժամանակակից հեռանկարն ունի պրոտոն, որը կազմված է վալենտային քվարկներից (վերև, վեր, վար), գլյուոններից և ծովային քվարկների անցողիկ զույգերից: Պրոտոններն ունեն լիցքի դրական բաշխում, որը քայքայվում է մոտավորապես էքսպոնենցիալ, իսկ արմատի միջին քառակուսի լիցքի շառավիղը մոտ 0,8 ֆմ է:

Յուրաքանչյուր ատոմի միջուկում առկա են մեկ կամ մի քանի կապված պրոտոններ: Ազատ պրոտոնները բնականաբար հայտնաբերվում են մի շարք իրավիճակներում, երբ էներգիաները կամ ջերմաստիճանը բավականաչափ բարձր են, որպեսզի դրանք առանձնացնեն էլեկտրոններից, ինչի համար նրանք որոշակի կպ ունեն: Ազատ պրոտոնները գոյություն ունեն պլազմայում, որտեղ ջերմաստիճանը չափազանց բարձր է, որպեսզի թույլ տա նրանց միավորվել էլեկտրոնների հետ: Բարձր էներգիա և արագության ազատ պրոտոնները կազմում են տիեզերական ճառագայթների 90%-ը, որոնք տարածվում են միջաստղային միջավայրով։ Ազատ պրոտոնները արտանետվում են անմիջապես ատոմային միջուկներից ռադիոակտիվ քայքայման հազվադեպ տեսակների ժամանակ։ Պրոտոնները նույնպես առաջանում են (էլեկտրոնների և հականեյտրինոների հետ միասին) ազատ նեյտրոնների ռադիոակտիվ քայքայման արդյունքում, որոնք անկայուն են։

 Կայունություն 
Ազատ պրոտոնների ինքնաբուխ քայքայումը երբեք չի նկատվել, և այդ պատճառով պրոտոնները ստանդարտ մոդելի համաձայն համարվում են կայուն մասնիկներ: Այնուամենայնիվ, մասնիկների ֆիզիկայի որոշ մեծ միասնական տեսություններ (GUTs) կանխատեսում են, որ պրոտոնի քայքայումը պետք է տեղի ունենա 1031-ից 1036 տարի ժամկետով: Փորձարարական որոնումները հաստատել են տարբեր ենթադրյալ քայքայման արտադրանքների համար պրոտոնի կյանքի միջին տևողության ստորին սահմանները:
Ճապոնիայի Super-Kamiokande դետեկտորում իրականացված փորձերը տվել են պրոտոնի միջին կյանքի ցածր սահմաններ  տարի հակամունի և չեզոք պիոնի քայքայման համար, և  տարի քայքայման համար դեպի պոզիտրոն և չեզոք պիոն: Կանադայի Սադբերի Նեյտրինո աստղադիտարանում մեկ այլ փորձարկում փնտրել են գամմա ճառագայթներ, որոնք առաջանում են թթվածնից 16-ից պրոտոնի քայքայման արդյունքում առաջացած մնացորդային միջուկներից։ Այս փորձը նախատեսված էր ցանկացած արտադրանքի քայքայումը հայտնաբերելու համար և սահմանեց պրոտոնի կյանքի տևողության ցածր սահման  տարի.
Այնուամենայնիվ, հայտնի է, որ պրոտոնները վերածվում են նեյտրոնների էլեկտրոնների գրավման գործընթացի միջոցով (նաև կոչվում է հակադարձ բետա քայքայում): Ազատ պրոտոնների դեպքում այս գործընթացը տեղի է ունենում ոչ թե ինքնաբերաբար, այլ միայն այն ժամանակ, երբ էներգիա է մատակարարվում: Հավասարումը հետևյալն է.

p+ + e- → n + ve

ve + p+ → n + e+

Գործընթացը շրջելի է; նեյտրոնները կարող են նորից վերածվել պրոտոնների բետա քայքայման միջոցով, որը ռադիոակտիվ քայքայման սովորական ձև է: Իրականում, ազատ նեյտրոնը քայքայվում է այս կերպ, որի կյանքի միջին տևողությունը կազմում է մոտ 15 րոպե: Պրոտոնը կարող է նաև վերածվել նեյտրոնի՝ բետա գումարած քայքայման միջոցով (β+ քայքայում):  Համաձայն դաշտի քվանտային տեսության՝ պրոտոնների կյանքի միջին տևողությունը դառնում է վերջավոր, երբ դրանք արագանում են պատշաճ արագացումով արագացումն առաջացնում է անցման չվերացող հավանականություն: Սա մտահոգիչ էր 1990-ականների վերջին, քանի որ սկալյար է, որը կարող է չափվել իներցիոն և համակցված դիտորդների միջոցով: Իներցիոն շրջանակում արագացող պրոտոնը պետք է քայքայվի վերը նշված բանաձևի համաձայն: Սակայն, ըստ համատեղ արագացված դիտորդի, պրոտոնը գտնվում է հանգստի վիճակում և, հետևաբար, չպետք է քայքայվի: Այս գլուխկոտրուկը լուծվում է՝ հասկանալով, որ համատեղ արագացված շրջանակում կա ջերմային բաղնիք Ֆուլինգ–Դեյվիս–Ունռու էֆեկտի պատճառով, որը դաշտի քվանտային տեսության ներքին էֆեկտ է:

 Քվարկները և պրոտոնի զանգվածը 
Քվանտային քրոմոդինամիկայի մեջ, միջուկային ուժի ժամանակակից տեսությունը, պրոտոնների և նեյտրոնների զանգվածի մեծ մասը բացատրվում է հարաբերականության հատուկ տեսությամբ: Պրոտոնի զանգվածը մոտ 80–100 անգամ մեծ է նրա երեք վալենտային քվարկների մնացած զանգվածների գումարից, մինչդեռ գլյուոններն ունեն զրոյական հանգիստ զանգված: Պրոտոնի քվարկների և գլյուոնների լրացուցիչ էներգիան, համեմատած QCD վակուումում գտնվող քվարկների մնացած էներգիայի հետ, կազմում է պրոտոնի զանգվածի գրեթե 99%-ը: Պրոտոնի մնացած զանգվածը, հետևաբար, շարժվող քվարկների և գլյուոնների համակարգի անփոփոխ զանգվածն է, որոնք կազմում են մասնիկը, և նման համակարգերում նույնիսկ համակարգում սահմանափակված անզանգված մասնիկների էներգիան դեռևս չափվում է որպես մաս: համակարգի հանգիստ զանգվածը.

Պրոտոնները կազմող քվարկների զանգվածին նկատի ունենալիս օգտագործվում է երկու տերմին. ընթացիկ քվարկային զանգվածը վերաբերում է ինքնին քվարկի զանգվածին, մինչդեռ բաղկացուցիչ քվարկային զանգվածը վերաբերում է ընթացիկ քվարկային զանգվածին գումարած գլյուոնային մասնիկների դաշտը շրջապատող զանգվածը: Այս զանգվածները սովորաբար ունեն շատ տարբեր արժեքներ։ Քվարկների կինետիկ էներգիան, որը սահմանափակման հետևանք է, ներդրում է: Օգտագործելով ցանցային QCD հաշվարկները, պրոտոնի զանգվածի ներդրումն է քվարկային կոնդենսատը (~9%, որը ներառում է վեր ու վար քվարկները և վիրտուալ տարօրինակ քվարկների ծովը), քվարկի կինետիկ էներգիան (~32%), գլյուոնի կինետիկ էներգիան (~37%) և անոմալ գլյուոնի ներդրումը (~23%, որը ներառում է քվարկների բոլոր համային համերի խտացումները):

Պրոտոնների ներքին դինամիկան բարդ է, քանի որ դրանք որոշվում են քվարկների գլյուոնների փոխանակմամբ և տարբեր վակուումային կոնդենսատների հետ փոխազդեցությամբ։ Lattice QCD-նապահովում է պրոտոնի զանգվածը ուղղակիորեն տեսությունից մինչև ցանկացած ճշգրտություն, սկզբունքորեն հաշվարկելու եղանակ: Ամենավերջին հաշվարկները պնդում են, որ զանգվածը որոշվում է ավելի լավ, քան 4% ճշգրտությամբ, նույնիսկ մինչև 1% ճշգրտությամբ: Այս պնդումները դեռևս հակասական են, քանի որ հաշվարկները դեռ չեն կարող կատարվել նույնքան թեթև քվարկներով, որքան դրանք իրական աշխարհում են: Սա նշանակում է, որ կանխատեսումները հայտնաբերվում են էքստրապոլյացիայիգործընթացով, որը կարող է համակարգված սխալներ առաջացնել: Դժվար է ասել, թե արդյոք այս սխալները ճիշտ են վերահսկվում, քանի որ այն քանակությունները, որոնք համեմատվում են փորձի հետ, հադրոնների զանգվածներն են, որոնք նախապես հայտնի են:

Այս վերջին հաշվարկները կատարվում են զանգվածային սուպերհամակարգիչների կողմից, և, ինչպես նշել են Բոֆին և Պասկվինին. «նուկլեոնի կառուցվածքի մանրամասն նկարագրությունը դեռևս բացակայում է, քանի որ… հեռավորության վրա վարքագիծը պահանջում է ոչ խանգարող և/կամ թվային բուժում…» Պրոտոնների կառուցվածքի ավելի շատ հայեցակարգային մոտեցումներն են՝ տոպոլոգիական սոլիտոնային մոտեցումը, որն ի սկզբանե շնորհիվ Tony Skyrme-ի և ավելի ճշգրիտ AdS/QCD մոտեցումն է, որը տարածվում է. այն ներառում է գլյուոնների լարային տեսություն, QCD-ով ոգեշնչված տարբեր մոդելներ, ինչպիսիք են պարկի մոդելը և բաղկացուցիչ քվարկ մոդելը, որոնք հայտնի էին 1980-ականներին, և SVZ գումարի կանոնները, որոնք թույլ են տալիս կոպիտ մոտավոր զանգվածի հաշվարկներ: Այս մեթոդները չունեն նույն ճշգրտությունը, ինչ ավելի բիրտ ուժի վանդակավոր QCD մեթոդները, համենայն դեպս՝ դեռ:

 Լիցքավորման շառավիղը 
Պրոտոնի լիցքավորման շառավիղի CODATA-ի առաջարկված արժեքն է 8,4075(64) × 10−16 մ: Պրոտոնի շառավիղը որոշվում է բանաձևով, որը կարող է հաշվարկվել քվանտային էլեկտրադինամիկայի միջոցով և ստացվել կամ ատոմային սպեկտրոսկոպիայի կամ էլեկտրոն-պրոտոն ցրման միջոցով: Բանաձևը ներառում է ձևի գործոն՝ կապված պրոտոնի երկչափ պարտոնի տրամագծի հետ:

Մինչև 2010 թվականի արժեքը հիմնված է պրոտոններից էլեկտրոնների ցրման վրա, որին հաջորդում է բարդ հաշվարկը, որը ներառում է ցրման խաչմերուկ՝ հիմնված իմպուլս-փոխանցման խաչմերուկի համար Ռոզենբլութի հավասարման վրա), և հիմնված է ջրածնի և դեյտերիումի ատոմային էներգիայի մակարդակների ուսումնասիրությունների վրա: 2010 թվականին միջազգային հետազոտական ​​թիմը հրապարակեց պրոտոնի լիցքի շառավիղի չափումը մյուոնային ջրածնի Lamb-ի տեղաշարժի միջոցով (էկզոտիկ ատոմ, որը կազմված է պրոտոնից և բացասական լիցքավորված մյուոնից): Քանի որ մյուոնը 200 անգամ ավելի ծանր է, քան էլեկտրոնը, ինչը հանգեցնում է ավելի փոքր ատոմային ուղեծրի, այն շատ ավելի զգայուն է պրոտոնի լիցքի շառավիղի նկատմամբ և այդպիսով թույլ է տալիս ավելի ճշգրիտ չափումներ կատարել: Հետագա բարելավված ցրման և էլեկտրոնային սպեկտրոսկոպիայի չափումները համաձայն են նոր փոքր շառավիղի հետ: Աշխատանքը շարունակվում է ճշգրտելու և ստուգելու այս նոր արժեքը:

 Պրոտոնի ներսում ճնշում 
Քանի որ պրոտոնը կազմված է գլյուոններով սահմանափակված քվարկներից, կարելի է սահմանել համարժեք ճնշում, որը գործում է քվարկների վրա: Այդ ճնշման չափը և դրա վերաբերյալ այլ մանրամասներ վիճելի են: 2018 թվականին այս ճնշումը հաղորդվել է 1035 Պա կարգի, ինչը ավելի մեծ է, քան նեյտրոնային աստղի  ներսում ճնշումը: Ասում էին, որ այն առավելագույնն է կենտրոնում, դրական (վանող) մոտ 0,6 ֆմ շառավղային հեռավորության վրա, բացասական (գրավիչ) ավելի մեծ հեռավորությունների վրա և շատ թույլ է մոտ 2 ֆմ-ից ավելի: Այս թվերը ստացվել են տեսական մոդելի և բարձր էներգիայի էլեկտրոնների Կոմպտոնյան փորձարարական ցրման համադրությամբ: Այնուամենայնիվ, այս արդյունքները վիճարկվել են, քանի որ դրանք նույնպես համապատասխանում են զրոյական ճնշմանը և արդյունավետորեն ապահովում են ճնշման պրոֆիլի ձևը մոդելի ընտրությամբ:

 Ազատ պրոտոնների փոխազդեցությունը սովորական նյութի հետ 
Թեև պրոտոնները կապված են հակառակ լիցքավորված էլեկտրոնների հետ, սա համեմատաբար ցածր էներգիայի փոխազդեցություն է, ուստի ազատ պրոտոնները պետք է կորցնեն բավարար արագություն (և կինետիկ էներգիա), որպեսզի սերտորեն կապված լինեն և կապվեն էլեկտրոնների հետ: Բարձր էներգիայի պրոտոնները սովորական մատերիա անցնելիս կորցնում են էներգիան ատոմային միջուկների հետ բախվելիս և ատոմների իոնացման միջոցով (էլեկտրոնները հեռացնելով) այնքան ժամանակ, մինչև դրանք բավականաչափ դանդաղեցվեն՝ սովորական ատոմում էլեկտրոնային ամպը գրավելու համար:
Այնուամենայնիվ, էլեկտրոնի հետ նման ասոցիացիայի դեպքում կապված պրոտոնի բնույթը չի փոխվում, և այն մնում է պրոտոն: Ցածր էներգիայի ազատ պրոտոնների ձգումը դեպի նորմալ նյութում առկա ցանկացած էլեկտրոն (օրինակ՝ նորմալ ատոմների էլեկտրոնները) հանգեցնում է ազատ պրոտոնների դադարեցմանը և ատոմի հետ նոր քիմիական կապի ձևավորմանը: Նման կապը տեղի է ունենում ցանկացած բավականաչափ «սառը» ջերմաստիճանում (այսինքն՝ համեմատելի է Արեգակի մակերեսի ջերմաստիճանի հետ) և ցանկացած տեսակի ատոմի հետ: Այսպիսով, ցանկացած տեսակի նորմալ (ոչ պլազմային) նյութի հետ փոխազդեցության դեպքում ցածր արագությամբ ազատ պրոտոնները չեն մնում ազատ, այլ ձգվում են դեպի էլեկտրոնները ցանկացած ատոմում կամ մոլեկուլում, որի հետ նրանք շփվում են, ինչը հանգեցնում է պրոտոնի և մոլեկուլի միացմանը: Այդ մոլեկուլներն այնուհետև ասում են, որ «պրոտոնացված» են, և քիմիապես դրանք պարզապես ջրածնի միացություններ են, հաճախ դրական լիցքավորված: Հաճախ արդյունքում դրանք դառնում են այսպես կոչված Բրյոնսթեդի թթուներ: Օրինակ, ջրի մոլեկուլի կողմից գրավված պրոտոնը դառնում է հիդրոնիում, ջրային կատիոն H3O+:

 Պրոտոնը քիմիայում 
 Ատոմային համարը 
Քիմիայի մեջ ատոմի միջուկում պրոտոնների թիվը հայտնի է որպես ատոմային թիվ, որը որոշում է այն քիմիական տարրը, որին պատկանում է ատոմը: Օրինակ՝ քլորի ատոմային թիվը 17 է; սա նշանակում է, որ յուրաքանչյուր քլորի ատոմ ունի 17 պրոտոն, և որ 17 պրոտոն ունեցող բոլոր ատոմները քլորի ատոմներ են: Յուրաքանչյուր ատոմի քիմիական հատկությունները որոշվում են (բացասաբար լիցքավորված) էլեկտրոնների քանակով, որը չեզոք ատոմների համար հավասար է (դրական) պրոտոնների քանակին, որպեսզի ընդհանուր լիցքը զրո լինի։ Օրինակ՝ չեզոք քլորի ատոմն ունի 17 պրոտոն և 17 էլեկտրոն, մինչդեռ Cl− անիոնն ունի 17 պրոտոն և 18 էլեկտրոն՝ −1 ընդհանուր լիցքի դեպքում։
Այնուամենայնիվ, տվյալ տարրի բոլոր ատոմները պարտադիր չէ, որ նույնական լինեն: Նեյտրոնների թիվը կարող է տարբեր լինել տարբեր իզոտոպներ ձևավորելու համար, և էներգիայի մակարդակները կարող են տարբեր լինել, ինչը հանգեցնում է տարբեր միջուկային իզոմերների:

 Ջրածնի իոն 
link=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hydrogen.svg|մինի|220x220փքս|Պրոտիումը, ջրածնի ամենատարածված իզոտոպը, բաղկացած է մեկ պրոտոնից և մեկ էլեկտրոնից (այն չունի նեյտրոններ)։ Ջրածնի իոն տերմինը (H+) ենթադրում է, որ այդ H ատոմը կորցրել է իր մեկ էլեկտրոնը, ինչի հետևանքով մնացել է միայն պրոտոն։ Այսպիսով, քիմիայում պրոտոն և ջրածնի իոն տերմինները (պրոտիումի իզոտոպի համար) օգտագործվում են հոմանիշ:
Պրոտիումը, ջրածնի ամենատարածված իզոտոպը, բաղկացած է մեկ պրոտոնից և մեկ էլեկտրոնից (այն չունի նեյտրոններ): Ջրածնի իոն տերմինը (H+) ենթադրում է, որ այդ H ատոմը կորցրել է իր մեկ էլեկտրոնը, ինչի հետևանքով մնացել է միայն պրոտոն: Այսպիսով, քիմիայում պրոտոն և ջրածնի իոն տերմինները (պրոտիումի իզոտոպի համար) օգտագործվում են հոմանիշ։
Պրոտոնը եզակի քիմիական տեսակ է՝ լինելով մերկ միջուկ: Որպես հետևանք, այն չունի անկախ գոյություն խտացված վիճակում և անփոփոխ հայտնաբերվում է մի զույգ էլեկտրոնների կողմից կապված մեկ այլ ատոմի հետ

Քիմիայի մեջ պրոտոն տերմինը վերաբերում է ջրածնի իոնին՝ H+: Քանի որ ջրածնի ատոմային թիվը 1 է, ջրածնի իոնը չունի էլեկտրոններ և համապատասխանում է մերկ միջուկին, որը բաղկացած է պրոտոնից (և 0 նեյտրոն՝ ամենաառատ իզոտոպային պրոտիումի դեպքում): Պրոտոնը «մերկ լիցք» է, որն ունի ջրածնի ատոմի շառավիղի միայն 1/64000-ը, և, հետևաբար, քիմիապես չափազանց ռեակտիվ է: Այսպիսով, ազատ պրոտոնը չափազանց կարճ կյանք ունի քիմիական համակարգերում, ինչպիսիք են հեղուկները, և այն անմիջապես արձագանքում է ցանկացած հասանելի մոլեկուլի էլեկտրոնային ամպի հետ:

Փոխանցումը H+ թթու-հիմքային ռեակցիայում սովորաբար կոչվում է «պրոտոնի փոխանցում»: Թթուն նշվում է որպես պրոտոն դոնոր, իսկ հիմքը՝ որպես պրոտոն ընդունող։ Նմանապես, կենսաքիմիական տերմինները, ինչպիսիք են պրոտոնային պոմպը և պրոտոնային ալիքը, վերաբերում են հիդրատացված H+ իոնների շարժումը:

Դեյտերիումի ատոմից էլեկտրոնի հեռացման արդյունքում առաջացած իոնը հայտնի է որպես դեյտրոն, այլ ոչ թե պրոտոն: Նմանապես, տրիտիումի ատոմից էլեկտրոն հեռացնելիս առաջացնում է տրիտոն:

 Ծանոթագրություններ 

Կատեգորիա:Տարրական մասնիկներ
Կատեգորիա:Ֆիզիկայի չլուծված խնդիրներ