Протон

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 10¹³ эв. «П.-4» запущен 16 ноября 1968. Оборудован уникальным комплексом научной аппаратуры, позволившей расширить диапазон исследуемых энергий до 10¹⁵ 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.