Размеры протона. Необъяснимое... или В продолжение поиска "неуловимых" мюонов. Радиус протона
Радиус - протон - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Радиус - протон
Cтраница 1
Радиус протона около 10 - 16 м, а его масса 1 672 - 10 - 27 кг. Таким образом, практически вся масса атома водорода сосредоточена в его ядре; это можно сказать и об атомах всех других элементов. [1]
Радиус нейтрона приблизительно равен радиусу протона. [2]
Следовательно, радиус ядра атома водорода ( радиус протона) равен 1 5 - 10 м, а радиус ядра атома алюминия ( Л 27) - в три раза больше. [3]
Этим методом были определены радиусы многих ядер и в том числе радиус протона. [4]
Кривая на рис. 19.21 имеет резко выраженный максимум, приходящийся на расстояние ReQ77 Ф, которое называется электрическим радиусом протона. [5]
В действительности опыты по рассеянию показали, что область ядерного взаимодействия порядка 10 - 19 см, благодаря чему радиус протона следует считать равным также около 10 - 13 см, и поэтому поведение двух протонов с такими энергиями не может быть удовлетворительно описано, если исходить из представления об электростатическом взаимодействии. [7]
Если представить электрон в виде шарика, то можно показать, что его радиус примерно в два раза больше радиуса протона. [8]
Кривая на рис. 19.21 имеет резко выраженный максимум, приходящийся на расстояние Re 0 77 Ф, которое называется электрическим радиусом протона. [9]
Кривая на рисунке имеет резко выраженный максимум, приходящийся на расстояние Я 0 77 X X 10 - J5 м, которое называется электрическим радиусом протона. [10]
По этой формуле радиус электрона ( для которого / п0 9 1 10 28г) получается равным 1 41 10 - 18 см, а радиус протона ( масса которого в 1836 5 раза больше массы электрона) равным 7 7 10 - 17 сц. [11]
Какое отношение имеет амбар к рассеянию частиц. Радиус протона 0 13 10 - 12 см, площадь поперечного сечения составляет 0 05 барн. Сечение 1 барн - объясняют физики - такая же большая величина, как амбар в нашей жизни. [12]
Ведь такие ионы состоят из одного протона. Радиус протона оценивается в 10 - 12 см, и напряженность создаваемого им электрического поля должна быть чрезвычайно большой. Трудно представить, что протон может оставаться независимым от окружающих молекул воды. С подобными проблемами мы сталкиваемся каждый раз, когда приходится объяснять поведение любых ионов в растворе, но электрическое поле протона намного сильнее, чем создаваемое любым другим ионом, и поэтому в случае водорода дело обстоит особенно сложно. [13]
Протон выделяется среди однозарядных ионов тем, что не имеет электронов вокруг ядра, и хотя этим же свойством обладают некоторые многозарядные катионы ( например, Не, Li3), ни один из них не играет столь важной роли в химических процессах, протекающих в обычных условиях. Отсутствие электронов означает, что радиус протона равен 10-гз см, в то время как для других ионов его величина составляет - 10 - 8 см. Вследствие такого малого радиуса протон обладает необычно сильной способностью поляризовать любую соседнюю молекулу или ион, и поэтому свободный протон встречается только в вакууме или в очень разбавленном газе. Мы увидим, однако, что широкий круг процессов можно рассматривать как реакции переноса протона, которые считаются простыми, так как представляют собой движение лишенного электронов ядра. Особенность процессов переноса протона состоит также и в том, что они протекают без существенной перестройки связывающих электронов и без участия сил отталкивания между - несвязывающими электронами. В терминах современной органической химии это означает, что протон обладает низкими стерическими требованиями. Некоторые реакции, конечно, включают перенос атома водорода, а не протона, но они протекают обычно в более жестких условиях, например при высоких температурах в газовой фазе, под действием облучения или бомбардировки частицами высоких энергий. Реакцию переноса протонов довольно просто отличить от реакции переноса атомов водорода. Но для других элементов ( особенно галогенов) часто необходимо рассматривать возможность как гетеролитиче-ского, так и гемолитического механизмов. [14]
Страницы: 1 2
www.ngpedia.ru
Каков истинный размер протона? Новые данные
Ядро состоит из протонов, нейтронов. В модели Бора электроны двигаются вокруг ядра по круговым орбитам, подобно Земле, вращающейся вокруг Солнца. Электроны могут переходить между этими уровнями, и когда они это делают, они либо поглощают фотон, либо испускают фотон. Каков размер протона и что это такое?
Главный строительный элемент видимой Вселенной
Протон является основным строительным блоком видимой Вселенной, но многие его свойства, такие как радиус заряда и его аномальный магнитный момент, не совсем понятны. Что такое протон? Это субатомная частица с положительным электрическим зарядом. До недавнего времени протон считался наименьшей частицей. Однако благодаря новым технологиям стал известен тот факт, что протоны включают в себя еще более маленькие элементы, частицы, называемые кварками, истинными фундаментальными частицами материи. Протон может образовываться в результате неустойчивого нейтрона.
Заряд
Каким электрическим зарядом обладает протон? Он имеет заряд +1 элементарного заряда, который обозначается буквой "e" и был открыт в 1874 году Джорджем Стоуни. В то время как протон имеет положительный заряд (или 1e), электрон имеет отрицательный заряд (-1 или -e), а нейтрон вовсе не имеет заряда и может обозначаться 0e. 1 элементарный заряд равен 1,602 × 10 -19 кулонов. Кулон представляет собой тип единицы электрического заряда и является эквивалентом одному амперу, который неуклонно транспортируется в расчете на одну секунду.
Что такое протон?
Все, чего вы можете коснуться и чувствовать, состоит из атомов. Размер этих крошечных частиц внутри центра атома очень маленький. Хотя они составляют большую часть веса атома, но они все же очень малы. Фактически, если бы атом был размером с футбольное поле, каждый из его протонов был бы только размером с муравья. Протоны не должны ограничиваться ядрами атомов. Когда протоны находятся за пределами атомных ядер, они приобретают увлекательные, причудливые и потенциально опасные свойства, аналогичные свойствам нейтронов в подобных обстоятельствах.
Но протоны обладают дополнительным свойством. Поскольку они несут электрический заряд, их можно ускорить электрическими или магнитными полями. Высокоскоростные протоны и атомные ядра, содержащие их, выделяются в больших количествах во время солнечных вспышек. Частицы ускоряются магнитным полем Земли, вызывая ионосферные возмущения, известные как геомагнитные бури.
Число протонов, размер и масса
Количество протонов делает каждый атом уникальным. Например, у кислорода их восемь, у водорода всего один, а у золота - целых 79. Это число похоже на тождество элемента. Вы можете многое узнать об атоме, просто зная число его протонов. Эта субатомная частица, найденная в ядре каждого атома, имеет положительный электрический заряд, равный и противоположный электрону элемента. Если бы он был изолирован, то имел бы массу всего около 1,673-27 кг, чуть меньше массы нейтрона.
Число протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свое уникальное тождество. В атомах какого-либо конкретного элемента число протонов в ядрах всегда одно и то же. Атом простого водорода имеет ядро, которое состоит всего из 1 протона. Ядра всех других элементов почти всегда содержат нейтроны в дополнение к протонам.
Насколько велик протон?
Никто этого точно не знает, и это проблема. В экспериментах использовались модифицированные атомы водорода, чтобы получить размер протона. Это субатомная тайна с большими последствиями. Спустя шесть лет после того, как физики объявили о слишком малом измерении размера протона, ученые все еще не уверены касательно истинного размера. С появлением новых данных тайна становится все более глубокой.
Протоны - частицы, находящиеся внутри ядра атомов. В течение многих лет радиус протона казался закрепленным на отметке примерно в 0,877 фемтометров. Но в 2010 году Рэндольф Пол из из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге, Германия, получил тревожный ответ, используя новую методику измерения.
Команда изменила один протон, один электронный состав атома водорода, переключив электрон на более тяжелую частицу, называемую мюоном. Затем они заменили этот измененный атом лазером. Измерение полученного изменения их энергетических уровней позволило им рассчитать размер его протонного ядра. К их удивлению, он вышел на 4 % меньше, чем традиционное значение, измеряемое другими средствами. В эксперименте Рэндольфа также применили новую методику к дейтерию - изотопу водорода, имеющему один протон и один нейтрон, все вместе известный как дейтрон, - в его ядре. Однако точное вычисление размера дейтрона занимало много времени.
Новые эксперименты
Новые данные показывают, что проблема радиуса протонов не исчезает. Еще несколько экспериментов в лаборатории Рэндольфа Пола и других уже ведутся. Кто-то прибегает к той же технике мюона для измерения размера более тяжелых атомных ядер, таких как гелий. Другие одновременно измеряют рассеяние мюонов и электронов. Пол подозревает, что виновником может быть не сам протон, а неправильное измерение константы Ридберга, число, которое описывает длины волн света, испускаемого возбужденным атомом. Но эта константа хорошо известна благодаря другим прецизионным экспериментам.
В другом объяснении предлагаются новые частицы, которые вызывают неожиданные взаимодействия между протоном и мюоном, не меняя его связи с электроном. Это может означать, что головоломка выводит нас за рамки стандартной модели физики частиц. «Если в какой-то момент в будущем кто-то обнаружит что-то помимо стандартной модели, это будет так», - говорит Пол, с первым небольшим расхождением, затем с другим и другим, медленно создавая более монументальный сдвиг. Какой истинный размер протона? Новые результаты бросают вызов базовой теории физики.
Рассчитав влияние радиуса протона на траектории пролета, исследователи смогли оценить радиус частицы протона, который составил 0,84184 фемтометра. Ранее этот показатель был на отметке от 0,8768 до 0,897 фемтометра. При рассмотрении таких крошечных количеств всегда существует вероятность ошибки. Однако после 12 лет кропотливых усилий члены команды уверены в точности своих измерений. Теория может нуждаться в некоторой доработке, но каким бы ни был ответ, физики еще долго будут почесывать головы, решая эту сложную задачу.
fb.ru
Непостоянство радиуса протона попытались объяснить квантовой интерференцией
Фотография установки
ФИАН Информ / Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Физики из Института квантовой оптики общества Макса Планка, Российского квантового центра и Физического института академии наук им. Лебедева поставили новый эксперимент по измерению зарядового радиуса протона. Полученная величина оказалась несколько меньше общепринятой, она в пределах погрешности совпадает с ранними экспериментами с мюонным водородом. Исследование может дать ответ на нерешенную проблему «загадки радиуса протона»: в различных измерениях протон словно бы меняет свои размеры, чего не предсказывает ни одна современная теория. По словам исследователей, источником эффекта может быть квантовая интерференция, которая искажала результаты ранних измерений. Работа опубликована в журнале Science, кратко о ней сообщает ФИАН-информ.
Сравнение протонного радиуса, полученного в новой работе (зеленый ромб) и в ранних работах (треугольник и шестиугольник). Фиолетовым показаны результаты спектроскопии мюонного водорода.
Axel Beyer et al. / Science, 2017
Согласно данным CODATA, международной комиссии, отслеживающей, анализирующей и публикующей новые результаты измерений фундаментальных констант, зарядовый радиус протона составляет 0,8751(61) фемтометра. Эта величина показывает то, как пучок отрицательно заряженных частиц рассеивается на протоне — чем больше зарядовый радиус, тем большая доля частиц будет рассеиваться. Один из методов его измерения — сверхточная спектроскопия электронных переходов в атоме водорода. Отличный от нуля размер протона влияет на энергию электронов, находящихся рядом с ним, и смещает их энергию на небольшую измеримую величину, которую можно описать в рамках квантовой электродинамики.
В 2010 году международная группа физиков опубликовала результаты экспериментов с экзотической частицей — мюонным водородом. Она отличается от обычного водорода тем, что электроны в ней заменены на более тяжелые лептоны — мюоны (в 207 раз тяжелее). Эксперимент должен был уточнить зарядовый радиус протона — мюон летает гораздо ближе к ядру, чем электрон, и лучше «чувствует» размеры частицы. Однако новые точные данные оказались на четыре процента меньше, чем принятые на тот момент — 0.8418 фемтометра. Эта разница в несколько раз превышает погрешность эксперимента, а значит речь шла о каком-то принципиально новом эффекте. Протон словно бы сжимался рядом с мюоном. Со временем и уточнением данных значимость разницы между радиусами протона только росла, ставя под вопрос абсолютную точность квантовой электродинамики. До сих пор однозначного решения загадки представлено не было. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «Щель в доспехах»
В новой работе немецкие ученые по предложению директора ФИАН Николая Колачевского усовершенствовали традиционный спектральный эксперимент, устранив ряд источников погрешности. Его суть заключается в точном измерении энергии электронного перехода в атоме водорода между двумя уровнями.
Схема эксперимента
Axel Beyer et al. / Science, 2017
Как правило, основными источниками погрешности в экспериментах с возбужденными атомами являются допплеровские сдвиги (из-за большой скорости горячих атомов — порядка трех километров в секунду), эффект Старка (сдвиг и расщепление линий в электрическом поле) и влияние сверхтонкой структуры. Авторы новой работы снизили температуру атомов до криогенной и уменьшили скорости примерно на порядок. В дополнение к этому, ученые научились бороться с квантовой интерференцией.
Квантовая интерференция — хорошо известное в ядерной оптике явление. Оно возникает, когда есть два энергетических перехода с близкими по значению энергиями. Эти переходы могут влиять друг на друга, аналогично тому, как два когерентных луча света могут формировать интерференционную картину складываясь друг с другом. В атомной спектроскопии интерференция возникает из-за расщепления энергетических уровней. Ранее считалось, что это явление дает очень слабый вклад в сдвиг спектральных линий, из-за чего физики практически не учитывали его.
В новой работе эксперимент был построен следующим образом. На первом этапе в установку попадал пучок холодных атомов водорода. Он был возбужден из основного в одно из двух сверхтонких 2S-состояний с помощью двухфотонного поглощения. Затем атомы дополнительно возбуждались в следующее состояние (4P) с помощью синего лазера. Интерферирующие переходы в сверхтонкой структуре этого энергетического уровня расположены довольно далеко друг от друга (это расстояние в сто раз больше ширины линий), но все равно дают большой вклад в положение пика перехода 2S-4P. Он оказался соизмерим с расхождением между частотами переходов в обычном и мюонном водороде.
После тщательной обработки результатов эксперимента, продлившегося около года, физики оценили зарядовый радиус протона — он оказался равен 0.8335(91) фемтометра, что в рамках погрешности совпадает с результатами для мюонного водорода и на три стандартных отклонения меньше, чем у традиционных экспериментов. Как отмечают авторы, говорить о решении проблемы радиуса протона еще рано — новый результат получен лишь на одном измерении (хотя его точность и превосходит объединенную точность других измерений). Необходимо выяснить причину, из-за которой ранние результаты оказываются систематически сдвинуты. Кроме того, новый радиус расходится не только со спектроскопическими экспериментами, но и с данными по рассеянию электронов на протоне.
Чтобы окончательно раскрыть загадку зарядового радиуса протона, потребуются дополнительные эксперименты — в том числе и с более тяжелыми ядрами. К примеру, недавно мы сообщали о спектроскопии мюонного дейтерия, которая также подтвердила расхождение в радиусах дейтрона.
Владимир Королёв
nplus1.ru
К загадке радиуса протона добавили дейтрон
Часть установки, использовавшейся для анализа Лэмбовского сдвига в мюонном водороде
Swiss Physical Society
Международная коллаборация физиков CREMA обнаружила новые указания на то, что в радиусе протона есть неопределенность. Исследователи проанализировали поведение мюонного дейтерия — частицы, в которой вокруг ядра из нейтрона и протона вращается мюон. Оказалось, что зарядовый радиус дейтрона — ядра дейтерия — меньше, чем было установлено в экспериментах с обычным, электронным дейтерием. Теория предсказывает, что радиус частиц постоянен.
Точно такая же пара экспериментов с водородом и его мюонным аналогом указала ранее на расхождение в радиусе протона. Эксперимент может указывать на один из двух вариантов: либо неверна теория, описывающая взаимодействия в атоме, либо в экспериментах есть ошибка. Исследование опубликовано в журнале Science.
Зарядовый радиус протона можно определить по тому, как эта элементарная частица взаимодействует с отрицательными зарядами. К примеру, для этого используют эксперименты по рассеянию электронов на протоне — чем больше радиус протона, тем больше электронов из пучка будет отклоняться от своего пути, — а также анализ электронных переходов в атоме водорода. По данным современных измерений, радиус составляет 0,877 фемтометра, примерно в миллион миллиардов раз меньше метра.
В 2010 году группа физиков повторила измерения зарядового радиуса в системе с более тяжелым носителем отрицательного заряда — мюоным водородом. Мюон в 207 раз массивнее электрона и, в отличие от последнего, обладает временем жизни около двух микросекунд. Из-за большей массы мюона точность определения зарядового радиуса выше. В эксперименте ученые измеряли Лэмбовский сдвиг.
Оказалось, что зарядовый радиус протона меньше, чем в ранних измерениях, и составляет 0,841 фемтометра. После уточнения данных физики обнаружили, что независимые измерения одной и той же величины отличаются на семь стандартных отклонений. Причина этого до сих пор неизвестна — согласно квантовой электродинамике, зарядовый радиус протона должен быть постоянной величиной.
В новой работе физики оценили зарядовый радиус другой, более массивной частицы — дейтрона (ядра атома дейтерия). По аналогии с протоном, ученые сравнивали Лэмбовские сдвиги в электронном и мюонном дейтерии.
Лэмбовский сдвиг — разница в энергии между двумя электронными (или мюонными) состояниями в атоме, обозначаемыми 2S и 2P. Согласно простейшим квантово-механическим вычислениям, эти состояния должны быть равны по энергиям, однако на практике ученые обнаружили различия. Эти отличия связаны с взаимодействием электронов с флуктуациями вакуума, и по ним можно очень точно определить зарядовый радиус протона. В новых экспериментах с помощью лазера ученые изменяли состояния мюона в атоме.
Измеренный радиус дейтрона оказался, как и в случае протона, меньше, чем существующие оценки. При точности в 2,5 раза выше, чем в случае с электронным дейтерием, разница между рекомендованной величиной радиуса дейтрона и измеренной составила 7,5 сигма (стандартных отклонений). Даже по сравнению с измерениями радиуса только из Лэмбовского сдвига (без учета рассеяния электронов) величина отличается на 3,5 стандартных отклонения.
Результаты измерений зарядового радиуса дейтрона. Слева сверху — анализ нового эксперимента. CODATA-2010 — рекомендованная в физике величина. D-spectroscopy — радиус на основе анализа Лэмбовского сдвига электронного дейтерия, e-d scatt. — электронное рассеяние на дейтроне
Randolf Pohl et al. / Science, 2016
Физики сделали на основе измерений новую оценку зарядового радиуса протона. Она оказалась еще меньше, чем предыдущие: 0,8356 фемтометра. Стоит отметить, что погрешность этой величины выше, чем в предыдущих мюонных измерениях.
Ученые отмечают, что для надежной проверки источников расхождений в радиусах протона необходимо провести дополнительные измерения. В частности, важную информацию можно получить из рассеяния мюонов на протонах — это должен проделать эксперимент MUSE, разрабатываемый на базе Института Пауля Шерера в Швейцарии.
Владимир Королёв
nplus1.ru
Радиус протона в самосогласованной модели
In English
Hadronic Journal, 2012, Vol. 35, No. 4, P. 349 – 363.
УДК 539.1 + 53.081.6 + 539.125.4
Радиус протона в самосогласованной модели
Федосин Сергей Григорьевич
г. Пермь, Пермский край, Россия
e-mail [email protected]
Исходя из представления о сильной гравитации, действующей на уровне элементарных частиц, и из равенства магнитного момента протона предельному магнитному моменту вращающегося неоднородно заряженного шара, находится радиус протона, согласующийся с экспериментальными данными. Одновременно выводится зависимость распределения плотности массы и заряда внутри протона. Отношение плотности в центре протона к средней плотности получается равным 1,57.
Ключевые слова: сильная гравитация; волны де Бройля; магнитный момент; радиус протона.
PACS: 12.39.Pn, 14.20.Dh
1. Введение
С момента открытия протона в 1917 году возник вопрос о том, как определить радиус этой элементарной частицы. Существует немало теоретических моделей для оценки радиуса протона. Большинство из этих моделей связано с представлением об электромагнитных форм-факторах как поправках, за счёт которых амплитуда рассеяния частиц на протоне отличается от амплитуды рассеяния на точечной частице. Расчёт форм-факторов достаточно сложный и требует учёта множества факторов, среди которых радиальное распределение плотности заряда и магнитного момента, динамика кварков, партонов и виртуальных частиц. При этом могут использоваться различные подходы – теория рассеяния, киральная теория возмущений, решёточная квантовая хромодинамика и т.д., описание которых можно найти в [1], [2]. Форм-факторы определяются из экспериментов по рассеянию, зависят от энергии взаимодействующих частиц и позволяют найти среднеквадратичные распределения заряда и магнитного момента как меры размеров частиц. Информация о радиусе протона может быть извлечена из анализа сдвига Лэмба в атоме водорода, а также в связанной системе из протона и отрицательного мюона [3].
2. Другие оценки радиуса протона
Рассмотрим некоторые простые методы определения радиуса протона. Один из них основан на том, что в частицах при их возбуждении возникают стоячие электромагнитные волны. Максимальная энергия таких стоячих волн не превышает энергии покоя во избежание распада частиц. Отсюда выводится, что волны де Бройля являются электромагнитными колебаниями, обнаруживаемыми в лабораторной системе отсчёта при взаимодействии движущихся частиц. Для описания таких колебаний необходимо применить преобразования Лоренца к стоячим волнам внутри частиц и найти их вид в лабораторной системе отсчёта [4], [5].
В простейшем случае стоячие сферические волны моделируются двумя волнами,
одна из которых бежит от центра к поверхности частицы, а другая в то же время
движется обратно. Можно считать, что в направлении какой-либо выделенной оси,
например 
, имеются две встречные волны следующего вида:
, 
,
,
(1)
здесь 
, 
− начальные фазы
колебаний при 
, 
− амплитуда
периодической функции, 
и 
обозначают угловую
частоту и волновое число, а штрихи перед переменными означают, что они
рассматриваются в системе покоя частицы.
В качестве 
может быть любая
периодическая функция, удовлетворяющая волновому уравнению. Например, это может
быть напряжённость или потенциал поля волны. Фазы волн в (1) должны быть
сдвинуты на 
для возникновения
стоячей волны. Если 
, 
, то в центре частицы при 
всегда будет узел как
отсутствие видимых колебаний, и (1) становится таким:
.
(2)
В результате колебаний (2) внутри частицы могут периодически изменяться скорости зарядов вещества частицы и потенциалы поля. Это неизбежно приводит к появлению периодических колебаний потенциалов поля и за пределами частицы, в окружающем её пространстве.
Пусть теперь частица вместе со своей стоячей волной движется вдоль оси лабораторной системы
отсчёта со скоростью 
. Как видоизменятся колебания поля внутри и за пределами
частицы в связи с её движением? Нам необходимо выразить в (2) штрихованные
координаты и время внутри движущейся частицы через координаты и время
лабораторной системы отсчёта с помощью преобразований Лоренца (
обозначает скорость
света):
, 
, 
, 
,
. (3)
Из (3) видно, что вследствие перемещения стоячей волны вместе с частицей,
для внешнего неподвижного в лабораторной системе отсчёта наблюдателя меняются
длина волны и частота. Точнее говоря, на наблюдаемой волне появляются
дополнительные пучности, с длиной волны между ними, отличающимися от длины
волны 
в системе отсчёта
частицы. Остановим на мгновение волну (3) при 
и найдём длины волн
как пространственное разделение между точками волны в одной и той же фазе. При 
синус в (3) будет
равен нулю, а при 
фаза синуса изменится
от 
до 
. Отсюда имеем:
, 
. (4)
Аналогично для длины волны у косинуса в (3) находим:
, 
.
(5)
Оценим теперь временное разделение между точками волны в одной фазе при , считая это разделение соответствующим периодом волны:
, 
. (6)
, 
. (7)
Из (4) − (7) следуют следующие выражения для скоростей:
, 
. (8)
Как видно из (8), колебания волны (3), связанные с косинусом,
распространяются с фазовой скоростью волны де Бройля 
. Кроме этого, колебания волны (3), связанные с синусом,
движутся в пространстве с той же скоростью , что и сама частица. Длину волны 
в (5) можно
преобразовать так, чтобы привести её к стандартному виду для длины волны де
Бройля. Свяжем угловую частоту колебаний внутри частицы, аналогично
электромагнитной волне, с энергией колебаний: 
, где 
– постоянная Дирака, 
– постоянная Планка.
Это даёт следующее:
.
(9)
Аналогично из (4) имеем:
.
(10)
В предельном случае, когда энергия колебаний сравнивается с энергией
покоя частицы, 
, из (9) следует:
,
(11)
где 
– масса частицы, 
– релятивистский
импульс частицы.
Формула (11) определяет длину волны де Бройля через импульс частицы.
Заметим, что и сам де Бройль написал формулу (11) при условии, что энергия
частицы 
равна энергии волны, сопровождающей частицу.
Согласно полученному нами выражению (9), длина волны должна присутствовать у частицы и при малой
энергии возбуждения 
. При
этом по мере уменьшения энергии возбуждения длина волны увеличивается.
Как правило, в экспериментах обнаруживается только 
из (11), а не длина волны из (9).
Это может происходить потому, что среди множества взаимодействующих
частиц одновременно присутствуют частицы с разными энергиями возбуждения и разными , так
что волновые явления размываются. Это же касается и для волн с длиной волны 
в (10). Лишь для самых энергично
взаимодействующих частиц, энергии возбуждения которых близки к энергии покоя частиц,
достигается граничное значение длины волны, равное длине волны де Бройля. Тем
самым эта длина волны и проявляется в эксперименте. При 
можно предсказать у
частиц также и волновые явления с граничной длиной волны 
.
В частности, 
есть комптоновская длина волны, обнаруживаемая
в эффекте Комптона. Согласно нашей точке зрения появление волны де Бройля
следует трактовать как чисто релятивистский эффект, возникающий как следствие
лоренцевского преобразования стоячей волны, движущейся вместе с частицей.
В результате мы вынуждены принять, что корпускулярно-волновой дуализм реализуется в полной мере только у тех конкретных частиц, у которых энергии возбуждения достигают их энергии покоя. При этом различие частиц и квантов поля в волновом отношении стирается. При малых энергиях возбуждения частицы не могут сильно излучать свою энергию, и амплитуды колебаний потенциалов поля возле частиц будут невелики. Тогда частицы взаимодействуют между собой скорее не волновым, а обычным способом, и волновые явления становятся незаметными.
Если теперь предположить, что длина стоячей волны равна 
, где 
– радиус протона, то
из равенства энергии волны и энергии покоя протона получается:
, 
, 
м,
здесь 
– частота колебаний, 
– масса протона.
Другой способ оценки радиуса протона предполагает, что разность энергий покоя нейтрона и протона возникает вследствие электрической энергии заряда протона. В таком случае должно быть:
,
(12)
где 
– масса нейтрона, 
– элементарный заряд, 
– электрическая
постоянная.
В (12) для случая однородного распределения заряда по объёму протона 
, в результате оценка радиуса протона даёт значение 
м.
В [6] и [7] радиус протона находился из того условия, что предельный момент импульса поля сильной гравитации внутри протона равен по величине спину протона. Это приводит к формуле:
м.
(13)
В (13) используется постоянная сильной гравитации 
. Согласно [4] данная постоянная определяется из равенства
электрической силы и силы от поля сильной гравитации, действующих в атоме
водорода на электрон с массой 
, который находится в основном состоянии на радиусе Бора 
:
, 
м3∙кг–1∙с–2, (14)
Кроме сил притяжения от гравитации и зарядов ядра и электрона, в атоме водорода на вещество электрона в виде вращающегося диска действуют и силы отталкивания в сторону от ядра. Одной из этих сил является электрическая сила расталкивания заряженного вещества электронного облака самого от себя. В той вращающейся неинерциальной системе отсчёта, в которой произвольная часть вещества электрона неподвижна, появляется также сила инерции в виде центробежной силы, зависящей от скорости вращения этого вещества вокруг ядра. В первом приближении указанные силы равны друг другу по величине, что и приводит к (14).
Напомним, что идея сильной гравитации была введена в науку в трудах
Абдуса Салама и группы его сотрудников [8], [9] как альтернативное объяснение
сильного взаимодействия частиц. В предположении, что адроны могут быть представлены
как Керр-Ньюмановские чёрные дыры, они оценили постоянную сильной гравитации
как величину порядка 
м3∙кг–1∙с–2.
С помощью постоянной сильной гравитации (14) можно выразить постоянную тонкой структуры:
.
Ещё одна оценка радиуса протона вытекает из равенства энергии покоя и модуля полной энергии, с учётом теоремы вириала приблизительно равной половине модуля энергии сильной гравитации, связанной с протоном [4]:
.
(15)
Если взять 
для случая однородного
распределения массы, то из (15) следует, что 
м.
Все указанные выше оценки основываются на классическом подходе к протону
как к материальному объекту малых размеров в виде шара радиуса 
. При этом предполагается, что сильная гравитация действует
на уровне элементарных частиц точно так же, как обычная гравитация на уровне
планет и звёзд.
В Стандартной модели элементарных частиц и в квантовой хромодинамике считается, что нуклоны и другие адроны состоят из кварков, причём у барионов три кварка, а у мезонов два кварка. Вместо сильной гравитации предполагается действие глюонных полей, удерживающих кварки в адронах. Кварки полагаются заряженными элементарными частицами, поэтому в качестве радиуса протона рассматриваются зарядовый и магнитный среднеквадратичные радиусы. Эти радиусы определяются электрическим и магнитным взаимодействием протона и могут отличаться друг от друга.
Оценка среднеквадратичного зарядового радиуса протона может быть сделана
с помощью экспериментов по рассеянию заряженных частиц на протонной мишени
[10]. В таких экспериментах находятся полные сечения взаимодействия частиц 
. Для случая рассеяния протонов на нуклонах при энергиях
более 10 ГэВ можно считать, что 
, причём 
м2 . Отсюда получается, что 
м.
3. Самосогласованная модель
Поставим своей целью найти более точное значение радиуса протона с помощью классических методов. При вычислениях мы будем использовать только табличные данные о массе, заряде и магнитном моменте протона. Протон будем рассматривать с точки зрения теории бесконечной вложенности материи [11], в которой аналогом протона на уровне звёзд является магнитар или заряженная нейтронная звезда с очень большим магнитным и гравитационным полем. Подобно магнитару, вещество протона должно быть замагниченно и скрепляться полем сильной гравитации.
С целью учёта неоднородности плотности вещества внутри протона используем простую формулу, в которой плотность вещества изменяется линейным образом с нарастанием к центру:
,
(16)
где 
– центральная
плотность, 
– текущий радиус, 
– коэффициент,
подлежащий определению.
Формулу (16) следует рассматривать как первое приближение к реальному распределению плотности вещества внутри протона. Приблизительная линейность зависимости плотности вещества в нейтронных звёздах была показана в [12], и мы предполагаем, что это справедливо также для протона как аналога нейтронной звезды.
Для оценки величины 
и радиуса рассмотрим интеграл
для массы протона в сферических координатах:
.
(17)
Для точного расчёта состояния нейтронных звёзд, а значит и протонов как их аналогов, следует учитывать искривление пространства-времени под действием сильного гравитационного поля, а также вклад энергии гравитационного поля в общую массу-энергию. Мы будем считать, что в (16) в зависимости плотности вещества от радиуса уже учтены все релятивистские эффекты, а масса протона (17) является гравитационной массой с точки зрения удалённого наблюдателя.
В (17) содержатся три неизвестные величины, для нахождения которых требуются ещё два уравнения. Будем считать справедливой теорему вириала и приравняем энергию покоя протона к половине модуля энергии статического поля сильной гравитации:
,
(18)
где 
− плотность энергии
поля сильной гравитации согласно [4], 
− гравитационное ускорение.
В (18) интегрирование плотности энергии поля необходимо производить как
внутри, так и за пределами протона. Величину 
внутри протона удобно
находить путём интегрирования уравнения для поля сильной гравитации 
, входящего в состав уравнений лоренц-инвариантной теории
гравитации [13]. После интегрирования по сферическому объёму некоторого радиуса
, с последующим использованием теоремы Гаусса, то есть с
переходом на интегрирование по площади указанной сферы внутри протона, с учётом
(17) получается:
,
.
(19)
За пределами протона гравитационное ускорение равно:
.
(20)
Подставляя (19) и (20) в (18), получаем соотношение:
. (21)
В (21) можно исключить величину 
с помощью (17), что
даёт зависимость 
от 
в виде квадратного
уравнения:
.
Анализ данного уравнения показывает, что оно имеет следующее решение:
, (22)
при том условии, что когда 
, то соответственно 
.
Обратимся теперь к магнитному моменту протона. Как и в [4], мы
предполагаем, что магнитный момент протона равен тому магнитному моменту,
который формируется за счёт максимально быстрого вращения заряженного вещества
протона. В сферических координатах магнитный момент можно приблизительно
вычислить как сумму элементарных магнитных моментов отдельных колец с их
радиусом 
, обладающих магнитным моментом за счёт протекания в них тока
от вращения заряда:
(23)
Угловая скорость 
максимального вращения
протона может быть найдена из условия предельного вращения, при равенстве
центростремительной силы и силы гравитации на экваторе: 
. Считаем далее, что для плотностей заряда и вещества
выполняется равенство 
, и используем (17). Это даёт следующее:
.
(24)
4. Выводы
Соотношение (24) совместно с (22) дают возможность найти радиус протона 
м, а также значение 
. Из (17) тогда получается центральная плотность вещества 
кг/м3, которая превышает среднюю плотность протона
в 1,57 раз. Максимальная угловая скорость вращения протона с учётом (23) будет
равна 
рад/с. В то же время, если бы спин протона в приближении
однородной плотности вещества равнялся бы стандартной величине для спина
фермиона: 
, то такому спину соответствовала бы угловая скорость
вращения 
рад/с.
Для сравнения с экспериментальными данными укажем на результаты расчётов
электронного рассеяния из [14], где среднеквадратичный зарядовый радиус 
м получается при учёте только рассеяния на протонах, 
м с учётом данных пионного рассеяния, и 
м с учётом данных о рассеянии на нейтронах. В работе [3]
нашли среднеквадратичный зарядовый радиус 
м при изучении связанной системы из протона и отрицательного
мюона. Изучение сечения рассеяния поляризованных фотонов на протонах [15] даёт
зарядовый радиус 
м и магнитный радиус
м. Зарядовый радиус 
м и магнитный радиус 
м протона указаны на сайте Particle data group [16]. В базе данных CODATA
[17] зарядовый радиус протона равен 
м.
Полученное нами в рамках самосогласованной модели значение м близко к экспериментальным значениям радиуса протона, что
подтверждает возможность применения идеи сильной гравитации для описания
сильного взаимодействия элементарных частиц.
Список использованных источников
1. C. F. Perdrisat, V. Punjabi, and M. Vanderhaeghen. Nucleon Electromagnetic Form Factors. Prog. Part. Nucl. Phys., 2007, Vol. 59, Issue 2, P. 694–764.
2. J. Arrington, C. D. Roberts, and J. M. Zanotti. Nucleon electromagnetic form factors. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 2007, Vol. 34, No 7, S23.
3. Randolf Pohl at all. The size of the proton. Nature, 2010, Vol. 466, P. 213–216.
4. Федосин С.Г. Физика и философия подобия от преонов до метагалактик. Пермь, Стиль-МГ, 1999, 544 стр., Табл.66, Ил.93, Библ. 377 назв. ISBN 5-8131-0012-1.
5. Федосин С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 842 стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0.
6. Федосин С.Г. Современные проблемы физики. М.: Эдиториал УРСС, 2002, 192 стр., Ил.26, Библ. 50 назв. ISBN 5-8360-0435-8.
7. Федосин С.Г., Ким А.С. Момент импульса и радиус протона. Известия вузов. Физика, 2002, Т. 45, №. 5, С. 93–97.
8. Salam A. and Sivaram C. Strong Gravity Approach to QCD and Confinement. Mod. Phys. Lett., 1993, Vol. A8(4), P. 321–326.
9. Sivaram, C. and Sinha, K.P. Strong gravity, black holes, and hadrons. Physical Review D, 1977, Vol. 16, Issue 6, P. 1975–1978.
10. Барашенков В.С. Сечения взаимодействия элементарных частиц. М.: Наука, 1966.
11. Infinite Hierarchical Nesting of Matter – en.wikiversity.org.
12. Riccardo Belvedere, Daniela Pugliese, Jorge A. Rueda, Remo Ruffini, She-Sheng Xue. Neutron star equilibrium configurations within a fully relativistic theory with strong, weak, electromagnetic, and gravitational interactions. Nuclear Physics A, 2012, Vol. 883, P. 1–24.
13. Fedosin S.G. Electromagnetic and Gravitational Pictures of the World. Apeiron, 2007, Vol. 14, No. 4, P. 385–413.
14. Richard J. Hill, Gil Paz. Model independent extraction of the proton charge radius from electron scattering. Physical Review D, 2010, Vol. 82, Issue 11, 113005 (10 pages).
15. X. Zhan, et al. High Precision Measurement of the Proton Elastic Form Factor Ratio μp GE / GM at low Q2. Phys. Lett., 2011, B705, P. 59–64.
16. J. Beringer et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. Phys. Rev. D86, 010001 (2012).
17. P.J. Mohr, B.N. Taylor, and D.B. Newell (2011), The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899.
The radius of the proton in the self-consistent model
Based on the notion of strong gravitation, acting at the level of elementary particles, and on the equality of the magnetic moment of the proton and the limiting magnetic moment of the rotating non-uniformly charged ball, the radius of the proton is found, which conforms to the experimental data. At the same time the dependence is derived of distribution of the mass and charge density inside the proton. The ratio of the density in the center of the proton to the average density is found, which equals 1.57 .
Источник: http://sergf.ru/rp.htm
На научный сайт
sergf.ru
Учёные подтвердили, что размер протона меньше, чем считалось раньше
Одна из самых распространённых частиц во Вселенной — протон — оказалась одним из главных возмутителей спокойствия в мире физики. Ещё в 2010 году в журнале Nature были опубликованы результаты исследования, показавшие, что диаметр этой фундаментальной составляющей атомного ядра на 4% меньше, чем думали раньше.
Учёный мир пребывал в недоумении и потратил более двух лет, чтобы объяснить это несоответствие. Новая работа ещё больше спутала карты, подтвердив, что реальный размер протона меньше, чем говорят расчёты, основанные на законах физики.
Отметим, что протон не имеет каких-либо чётко различимых границ, поэтому его размеры можно определить лишь по взаимодействию с вращающимися вокруг него частицами (например, электронами). В качестве основного объекта для вычисления диаметра этой положительно заряженной частицы традиционно выступал атом водорода.
Простейший химический элемент состоит из одного протона и одного электрона. При этом электрон вращается вокруг протона на строго определённом расстоянии в зависимости от энергетического уровня. Электрон может перемещаться с одного уровня на другой, поглощая или выделяя энергию в виде фотонов света. Измеряя энергию фотонов, исходящих от возбуждённого атома водорода, физики могут определить допустимое положение орбиталей, и на основании законов квантовой физики рассчитать расстояние от них до протона.
Впервые такие измерения были проведены в 1960-х годах. С тех пор считалось, что радиус протона равен 0,8768 фемтометра или менее одной триллионной миллиметра.
Проблемы начались после того, как о результатах своих измерений заговорила группа физиков, работающих под руководством Рандольфа Поля (Randolf Pohl) из Института квантовой оптики Макса Планка. Учёные с помощью ускорителя элементарных частиц бомбардировала атомы водорода мюонами. В результате эти нестабильные элементарные частицы, которые в двести раз тяжелее электронов и также имеют отрицательный заряд, вытеснили электроны, заняв их места. Из-за большей массы мюон вращается гораздо ближе к протону и более чувствителен к его диаметру. Поэтому измерения, основанные на таком взаимодействии, гораздо точнее.
В 2010 году Поль и его коллеги впервые опубликовали уточнённый размер протона, равный 0,8418 фемтометра. В обычной жизни разница в 0,00000000000003 миллиметра практически неощутима, но только не в вопросах квантовой физики, где погрешность обычно не превышает долей процента.
Два года спустя та же команда исследователей провела повторные исследования. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Science, учёные также получили мюонные атомы водорода, но на этот раз с помощью лазера переводили тяжёлые отрицательные частицы на другие орбитали, чтобы сделать расчёты на основании нового набора энергетических уровней.
Учёные утверждают, что последние измерения были на порядок точнее, чем в 2010 году. Однако диаметр протона оказался равен 0,8408 фемтометра, что почти полностью соответствует предыдущему результату.
Однако физики так и не нашли точного ответа на вопрос: откуда взялась разница в 4%? В октябре 2012 года в Италии прошёл специальный семинар, в котором приняли участие 50 экспертов по протонам со всего мира. В результате специалисты сошлись во мнении, что между электронами и мюонами существуют некоторые различия, которые находятся вне стандартных физических моделей. Именно они влияют на получаемый результат.
Учёные надеются, что разгадка тайны будет найдена в течение последующих двух-трёх лет. Возможно, что-то проясниться после экспериментов с измерением энергетических уровней в мюонных атомах гелия, которые планируется провести в ближайшие два года.
Также по теме: На Большом адронном коллайдере, возможно, получен новый тип материи Сделан важный шаг на пути к управляемому термоядерному синтезу Учёные впервые различили химические связи внутри молекулы Смоделирована химическая связь, которая может существовать только в космосе
Другие статьи:
nlo-mir.ru
Размеры протона. Необъяснимое... или В продолжение поиска "неуловимых" мюонов: kactaheda
А сегодня во френдленте прочитал интересную статью, детально раскрывающую природу мюона и связанного с ним "меньшего, чем обычно" протона. Кто заинтересовался - статья под катом.
«Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.
О радиусе протонаПрежде всего, я хочу поблагодарить блоггера Миронову Валентину Юрьевну, благодаря которой я узнал о существовании проблемы расхождений в результатах, получаемых при измерениях размеров протона, которые стабильно повторяются в процессе его измерений различными способами. А также моего постоянного в течение уже многих лет корреспондента издалека, благодаря которому я получил и подробное описание методик тех измерений. А теперь о сути проблемы и сначала цитата.
«Радиус протона оказался на 4 процента меньше, чем считалось до сих пор. Такой вывод был сделан группой физиков, которые провели самое точное на сегодняшний день измерение радиуса частицы. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Nature. Коротко о работе пишет New Scientist.
Авторы новой работы решили уточнить полученные ранее оценки размера протона, использовав необычную технологию эксперимента. Физики получали структуру, подобную атому водорода, в которой вместо электрона находился мюон - отрицательно заряженная элементарная частица в 207 раз тяжелее электрона. Из-за разницы в массе мюон обращается приблизительно в 200 раз ближе к протону и изменения его энергетических уровней намного сильнее зависят от характеристик протона.
По итогам проведенных опытов ученые вычислили, что радиус протона составляет 0,84184 фемтометров (фемтометр - это 10-15 метра), что на 4 процента меньше принятого на сегодня значения. Пока исследователи не могут объяснить новые результаты, так как они противоречат теории квантовой электродинамики, которая считается самой точной физической теорией. Коллеги авторов не исключают, что причиной расхождения может быть ошибка (или ошибки), произошедшая на одной из стадий эксперимента. Еще одно возможное объяснение - ошибки в положениях теории квантовой электродинамики. И, наконец, третий вариант, о котором специалисты говорят с очень большой осторожностью, - новые результаты свидетельствуют о том, что у протона существуют абсолютно неизвестные физикам свойства».
Вот, что приходит в голову по поводу этого исключительно важного сообщения.Прежде всего нужно вспомнить, что электрон в атоме в ассоциации с протоном не является частицей, в форме которой он существует, находясь вне этой системы. Внутри этой системы его можно представить в форме объемного энергетического вихря, обладающего определенной кинетической энергией и отрицательным электрическим зарядом. Как часто говорят, «Облака», форма которого и значение его массы инерции определяется занимаемым им в атоме энергетическим уровнем.
Следующим, что нужно иметь в виду для того, чтобы получить достаточно логичные объяснения полученным в упомянутом эксперименте результатам, что согласно Концепции MWT кинетическая энергия представляет собой некую потенциальную энергию, которая накапливается в пространстве Более Высокой Мерности (БВМ) в процессах различных в нашем мире взаимодействий, и может возвращаться обратно в наш мир в ответ на приложение к физическому объекту, ею обладающему, воздействия, противоположного тому, которое было в процессе ее накопления. (Вывод из описания решений математики Янга-Миллса).
И, наконец, еще одно и самое важное для понимания рассматриваемой проблемы обстоятельство. Как когда-то написал Платон : « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части». Иными словами, замена электрона в системе ассоциированных протона с электроном на мюон не только замена одного из составляющих систему элементов на другой, это – замена одной находящейся в стабильном динамическом равновесном состоянии системы на другую, которая, тем не менее, также должна оставаться в стабильном динамическом равновесном состоянии. А это новое состояние может образоваться только в том случае, если произойдут какие-то изменения у всех составляющих систему элементов. В нашем случае – должен каким-то образом измениться и протон. Еще раз: « Идея вещи есть цельность всех составляющих её частей, неделимая на эти части».
Для пояснения выдвинутого предположения можно сказать следующее.
Чтобы сохранить вновь образовавшуюся систему в таком же динамическом равновесии, более тяжелый мюон естественно должен приблизиться к тому, чем стал новый протон. Чтобы удержать мюон в новой системе, протон должен найти в себе для этого достаточно энергии. И самым центральным для удовлетворительного объяснения наблюдаемого в результате эксперимента вывода является ответ на вопрос – откуда она может у него появиться?
Протон представляет собой ассоциацию трех кварков, энергия которых практически полностью состоит из кинетической энергии вращения и которые составляют систему, находящуюся в динамическом равновесном состоянии, поддерживаемом взаимодействием конфайнмента, взаимодействием «Наоборот», которое с ростом расстояния между физическими объектами увеличивается, а с уменьшением расстояния - ослабевает.
Поскольку это динамическое равновесие может поддерживаться неопределенно долгое время, а подобные динамические равновесные системы подвергаются постоянным возмущениям, но какого-то источника корректирующей эти возмущения энергии в нашем мире пока не нашлось, остается предположить, что корректирующая энергия может поступать лишь из пространства БВМ.
- Подобным возмущением по сути является и замена электрона на мюон, а получить ту необходимую протону энергию, которая была уже упомянута, он также может лишь из пространства БВМ. Но, в таком случае, если меняется внутренняя энергия протона, в нем изменяются и условия нового состояния конфайнмента. Скорее всего, кварки должны сблизиться для увеличения внутренней энергии системы, или, иными словами, создать, тем самым, новый протон. Что и обнаруживается в упомянутом эксперименте и, скорее всего, сможет найти свое подтверждение в достаточно адекватной математической модели, отображающей этот феномен.
kactaheda.livejournal.com
