Протон – элементарная частица, которая входит в состав атома и обладает положительным зарядом. Протоны притягиваются к электронам, образуя атомы. С греческое слово переводится как «первый». Протоны и другие частицы, нейтроны, называются нуклонами, которые образуют ядро атома.
Что это такое?
Нет сомнений, что протон есть в составе абсолютно каждого вещества и материи. Эта элементарная частица была открыта только в ХХ веке. До этого времени считалось, что атомы являются мельчайшими частицами.
Сейчас же ученые выяснили, что и протон – не конечная структурная единица. Они состоят из частиц, называемых кварками. Каждый протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка.
Как определить массу и число протона?
Определить число протонов и электронов атома можно, используя его атомный номер, который указан в периодической таблице элементов. Вот как это делается:
- Число протонов в атоме равно его атомному номеру. Атомный номер (Z) — это уникальный номер, присвоенный каждому элементу, который указывает на количество протонов в ядре атома. Например, атомный номер углерода (C) равен 6, что значит, что атом углерода содержит 6 протонов.
- Число электронов. В нейтральном атоме (когда атом не заряжен), число электронов равно числу протонов, чтобы общий заряд атома был нулевым. Например, для углерода с атомным номером 6, нейтральный атом углерода также будет иметь 6 электронов.
Если атом является ионом (имеет заряд), число электронов изменяется в зависимости от заряда:
- Положительный ион (катион). Если атом потерял один или несколько электронов, он становится положительно заряженным ионом. В этом случае число электронов будет меньше на величину заряда. Например, натрий (Na) с атомным номером 11 в виде иона Na⁺ имеет 11 протонов и 10 электронов (потерял один электрон).
- Отрицательный ион (анион). Если атом приобрёл один или несколько электронов, он становится отрицательно заряженным ионом. В этом случае число электронов будет больше на величину заряда. Например, хлор (Cl) с атомным номером 17 в виде иона Cl⁻ имеет 17 протонов и 18 электронов (приобрёл один электрон).
Таким образом, определение числа протонов и электронов атома сводится к следующему:
- Найдите атомный номер элемента в периодической таблице — это число протонов.
- Для нейтрального атома число электронов равно числу протонов.
- Для ионов учитывайте заряд: добавьте электроны для отрицательных ионов или вычтите их для положительных ионов.
История открытия
В XIX веке исследования протона как такового не проводились, потому что атомы считались неделимыми. Только в 1897 году Джозеф Дж. Томпсон обнаружил, что атом содержит частицы с отрицательным зарядом – электроны. Это открытие привело к созданию модели атома, представленной как «пудинг с изюмом», где положительный заряд атома распределен равномерно во всем объеме, а электроны находятся внутри этого объема. Но остальные элементарные частицы пока не учитывались учеными того времени.
История открытия протона началась в конце XIX века, когда румынский физик Ёзеф Ионеску-Сильван и голландский физик Хендрик Лоренц предположили существование позитивно заряженой частицы в атоме. Ионеску-Сильван разработал «модель капли Ликтенбергера» (также известную как «модель дроплета»), которая описывает поведение протонов и нейтронов в ядрах атомов. Эта модель визуализирует электрический заряд, с ее помощью ученый изучал электрические поля и разряды на поверхности диэлектриков. Капля Ликтенбергера образуется на поверхности диэлектрика после того, как на него оказывается действие электрического разряда. Образовавшаяся капля имеет характерный узор, который позволяет наглядно изучить форму электрических полей и разрядов.
Как было сказано выше, протон долгое время был неизвестен науке. Существование еще каких-то частиц внутри атома теоретически предположил химик Уильям Праут в 1815 году. Он называл эти составляющие водородоподобными частицами. В 1886 году Ойген Гольдштейн открыл положительно заряженные каналовые лучи, а в 1898 году Вильгельм Вин обосновал, что в лучах есть самые легкие частицы, которые и являлись протонами. Гольдштейн провел эксперимент, где обнаружил, что если есть отверстие в отрицательно заряженной пластине и достаточно высокое напряжение, то заряженные частицы будут пройти через отверстие и образуют узкий пучок – каналовый луч.
Однако настоящее открытие протона произошло позже. Исследованием структуры атомов занимался Эрнест Резерфорд вместе с Генри Мозли. В 1911 году был проведен опыт с золотой фольгой, покрытой пленкой радия. А в 1917 году Эрнест Резерфорд и Эрнест Марсден провели еще один эксперимент, который помог расширить знания о протоне. За свои работы Резерфорд получил Нобелевскую премию в 1920 году.
Еще одна значимая веха в открытии протона – исследования Ханса Гейгера и Вильгельма Шоттки. Ионизационная камера, разработанная Гейгером и Шоттки, была устройством, которое позволило регистрировать ионизацию газовых молекул под действием радиоактивного излучения и других источников заряженных частиц. С помощью камеры исследователи смогли провести серию экспериментов, направленных на изучение и идентификацию заряженных частиц.
Подробнее об истории протона и нейтрона вы можете узнать здесь.
Опыты
Эксперимент Резерфорда 1911 года показал, что большая часть альфа-частиц проходила насквозь через фольгу без отклонений, что указывало на преимущественно пустое пространство в атоме. Однако иногда альфа-частицы отклонялись на большие углы или даже возвращались обратно. Из этого эксперимента Резерфорд сделал вывод, что положительный заряд сосредоточен в ядре, в котором содержались протоны и нейтроны. Вокруг ядра по оси вращались отрицательно заряженные электроны.
В эксперименте 1917 года исследовалось рассеяние альфа-частиц на тонкой золотой фольге, подобно прошлому эксперименту. Это исследование было направлено на изучение структуры атома и распределения положительного заряда внутри него. В результате эксперимента Резерфорд и Марсден обнаружили, что большая часть альфа-частиц проходит через фольгу, но отдельные из них отклоняются на большие углы и даже отражаются обратно, что подтвердило существование компактного и заряженного ядра внутри атома.
В исследованиях Гейгера и Шоттки уделялось внимание взаимодействию альфа-частиц, испускаемых радиоактивными элементами, с газовой средой в ионизационной камере. Обработка данных и анализ результатов позволили сделать вывод о том, что при взаимодействии альфа-частиц с газовым газом образуются заряженные частицы с положительным зарядом, протоны.
Значение открытия и примеры из жизни
Значение открытия протона для физики и химии огромно. Открытие протона стало отправной точкой для создания модели атома. Протонный заряд стал основой химических свойств элементов, что привело к развитию периодической системы элементов, важнейшего инструмента для химических и физических исследований.
Протон стал ключевой частицей в экспериментах по ускорителям частиц, и исследования его свойств помогли установить основные законы взаимодействия сильных и слабых ядерных сил. Он стал образцовой частицей для изучения квантовой хромодинамики – теории, описывающей взаимодействия кварков и глюонов, составляющих протоны и нейтроны.
Открытие протона также оказало влияние на развитие медицины и техники. Частицы используются в радиационной терапии рака для точного облучения опухоли, минимизируя воздействие на окружающие здоровые ткани. Протонная терапия стала революционным методом лечения рака, который обычно применяется в случаях, когда обычные методы лечения неэффективны или слишком опасны.
Открытие протона принесло фундаментальное понимание в природу материи и ее внутренних механизмов, исследование и использование протонов продолжает служить ключом к развитию науки, технологий и медицины.