Proton

Leprotonest uneparticule subatomiqueportant unecharge électrique élémentairepositive.

Proton

Représentation schématique de la composition en quarks de valence d'un proton, avec deux quarks u et un quark d. L'interaction forteest transmise par desgluons(représentés ici par un tracé sinusoïdal). La couleur des quarks fait référence aux trois types de charges de l'interaction forte: rouge, verte et bleue. Le choix de couleur effectué ici est arbitraire, la charge de couleur circulant à travers les trois quarks.

Propriétés générales

Classification	Particule composite (baryon)
Composition	2quarksup (u) 1 quarkdown (d)
Famille	Fermion
Groupe	Baryon(nucléon)
Interaction(s)	Forte,électromagnétique,faible,gravitation
Symbole	p, p+
Antiparticule	Antiproton

Propriétés physiques

Masse	1,672 621 925 95(52) × 10−27kgou 938,272MeV/c2 (1,672 649 × 10−27kg) (1,007 276 466 621u)
Charge électrique	+e = 1,602 176 565 × 10−19C
Rayon de charge	0,877fm 0,84184 fm (voirproblème de la taille du proton)
Moment dipolaire	<5,4× 10−24C m
Polarisabilité électrique	1,2(6) × 10−3fm3
Moment magnétique	2,792 847 351(28) μN
Polarisabilité magnétique	1,9(5) × 10−4fm3
Charge de couleur	0
Spin	½
Isospin	½
Parité	+1
Durée de vie	Théorie: infinie (particule stable) ou ~ 1034ans Expérience: > 5,9 × 1033ans
Forme condensée	½

Historique

Prédiction	William Prout,1815
Découverte	1919
Découvreur	Ernest Rutherford

Les protons sont présents dans lesnoyaux atomiques,généralement liés à desneutronspar l'interaction forte(la seule exception, mais celle dunucléidele plus abondant de l'univers,est le noyau d'hydrogèneordinaire (protium¹H), un simple proton). Le nombre de protons d'un noyau est représenté par sonnuméro atomiqueZ.

Le proton n'est pas uneparticule élémentairemais uneparticule composite.Il est composé de trois particules liées par desgluons,deuxquarks upet unquark down,ce qui en fait unbaryon.

Dans le cadre dumodèle standard de la physique des particules,et aussi expérimentalement dans l'état actuel de nos connaissances, le proton est également stable à l'état libre, en dehors de tout noyau atomique. Certaines extensions du modèle standard prévoient une (extrêmement faible)instabilité du proton libre.

Historique

Le concept d'une particule analogue à l'hydrogène,constituant des autres atomes, s'est graduellement développée au cours duXIX^esiècle et du début duXX^esiècle. Dès1815,William Proutémet l'hypothèse que tous les atomes sont composés d'atomes d'hydrogène, sur la base d'interprétations des valeurs des masses atomiques; cette hypothèse se révèle fausse lorsque ces valeurs sont mesurées avec plus de précision.

En1886,Eugen Goldsteindécouvre lesrayons canauxet montre qu'ils sont composés de particules chargées positivement (desions) produites par des gaz. Cependant, comme les ions produits par différents gaz pos sắc dent des rapports charge/masse différents, ils ne sont pas identifiés comme une simple particule, à la différence de l'électrondécouvert parJoseph Thomsonen1897.

À la suite de la découverte dunoyau atomiqueparErnest Rutherforden1911,Antonius van den Broekémet l'hypothèse que la place de chaqueélémentdans laclassification périodiqueest égale à la charge de son noyau. Cette hypothèse est confirmée expérimentalement parHenry Moseleyen1913.

En1919,Rutherford prouve que le noyau de l'atome d'hydrogène est présent dans les autres noyaux. Il remarque que lorsque desparticules Alphasont envoyées dans un gaz d'azote,ses détecteurs de scintillation indiquent la signature de noyaux d'hydrogène. Il détermine ensuite que cet hydrogène ne peut provenir que de l'azote. Ce noyau d'hydrogène est donc présent à l'intérieur d'un autre noyau. Rutherford baptise la particule correspondante du nom de proton, d'après le neutre singulier du mot grec pour « premier »,πρῶτον/prỗton.

Caractéristiques physiques

Description

Le proton est unfermiondespin1/2.Il est composé de troisquarksde valence, ce qui en fait unbaryon.Les deuxquarks upet lequark downdu proton sont liés par l'interaction forte,transmise par desgluons,ces gluons échangés entre les quarks et qui, par l’énergie de liaison qu’ils représentent, vont constituer environ 99 % de la masse du proton. En plus de ces trois quarks de valence (qui déterminent lesnombres quantiquesde la particule) et des gluons, le proton, comme les autreshadrons,est constitué d'une « mer » de paires de quarks-antiquarksvirtuelsqui apparaissent et disparaissent en permanence. Les nombres quantiques de ces paires virtuelles s'annulent en moyenne, ne contribuant donc pas à ceux du proton.

Tout comme leneutron,le proton est unnucléonet peut être lié à d'autres nucléons par laforce nucléaireà l'intérieur d'unnoyau atomique.Le noyau de l'isotopele plus courant de l'hydrogèneest un simple proton. Le noyau des isotopes plus lourds, ledeutériumet letritiumcontiennent un proton lié à un et deux neutrons, respectivement. Tous les autres noyaux atomiques sont composés de deux protons ou plus et d'un certain nombre de neutrons. Le nombre de protons d'un noyau détermine (par l’intermédiaire des électrons qui lui sont associés) les propriétés chimiques de l'atomeet donc quelélément chimiqueil représente.

La masse du proton est égale à environ 1,007 276 5u,soit à peu près 938,272 0MeV/c²ou 1,672 62 × 10⁻²⁷kg.La masse du proton est environ 1 836,15 fois celle de l'électron.Sacharge électriqueest très exactement égale à unecharge élémentairepositive (e), soit +1,602 176 565 × 10⁻¹⁹C;l'électron pos sắc de une charge électrique négative, de valeur opposée à celle du proton. La charge électrique du proton est égale à la somme des charges électriques de ses quarks: celle de chaque quark up vaut +2/3eet celle du quark down −1/3e.Son rayon est d'environ 0,84fm.

Dimensions

Étant uneparticule composite,le proton n'est pasponctuel.

Rayon de charge

La taille du proton est généralement définie par sonrayon de charge,le rayonquadratique moyende sa distribution decharge.

Pendant plusieurs décennies et jusqu'en 2010, les mesures du rayon de charge du proton, obtenues par des méthodes différentes, sont cohérentes autour de 0,88fm,avec comme meilleure évaluation0,8768(69) fm.En 2010 une nouvelle méthode, impliquant l'hydrogène muonique,fournit une nouvelle valeur très précise, mais incompatible avec les précédentes: 0,841 84(67)fm.

Les années suivantes voient s'accumuler les résultats, obtenus par différentes méthodes, qui se répartissent entre des valeurs hautes (autour de 0,877fm) et basses (0,83–0,84fm), en principe très précises mais incompatibles,sans qu'on puisse encore les départager fin 2019.

Rayon de masse

La taille du proton peut aussi être définie par son rayon de masse, le rayonquadratique moyende sa distribution demasse.On peut le mesurer en bombardant une cible riche en protons (par exemple, de l'hydrogène liquide) par desmésons J/ψ,eux-mêmes produits en bombardant une cible (par exemple decuivre) par desélectrons(ce qui produit desphotonsde haute énergie, qui se convertissent en J/ψ). Lesquarksdu méson J/ψ interagissent avec lesgluonsdu proton. Le méson J/ψ a une durée de vie très courte et se désintègre en une paire électron-positon,ce sont ces paires que l'on détecte et dont on analyse les caractéristiques.

La première mesure, obtenue en 2023 à partir d'une expérience menée en 2019, est d'environ 0,75fm.Le fait que le rayon de masse soit significativement plus petit que le rayon de charge signifie que les gluons (qui véhiculent l'essentiel de la masse) sont concentrés près du centre tandis que les quarks circulent au-delà, formant la sphère de charge.

Rayon scalaire

L'étude des gluons permet aussi de définir un « rayon scalaire », de l'ordre de 1fm.Le fait qu'il soit plus grand que le rayon de charge signifie que les gluons circulent aussi au-delà des distances auxquelles se trouvent les quarks, ce qui conduit à visualiser le proton comme constitué, grossièrement, de trois couches concentriques.

Structure

Le proton ne contient pas que les trois quarks dits « de valence » (deux u et un d), dont la masse ne compte que pour quelques % de la masse totale. Il contient aussi de nombreuses particules éphémères, des gluons ainsi que des paires quark-antiquark (quarks « de mer ») provenant de la désintégration des gluons.

Chaque paire quark-antiquark est constituée d'un quark u et de sonantiparticule,ou bien d'un quark d et de son antiparticule. Les quarks u et d ayant des masses très voisines, les paires des deux sortes devraient être présentes dans des proportions également voisines. En 2021, l'analyse de collisions proton-proton a montré que les antiquarks d sont plus abondants que les antiquarks u (« asymétrie de saveur »). Ce résultat, encore inexpliqué, est sans doute lié au problème de l'asymétrie matière-antimatière.

Pression interne

Le proton étant constitué dequarksconfinés via la présence degluons,on peut définir l'équivalent d'unepressionressentie par les quarks. On peut en calculer la distribution, en fonction de la distance au centre, à l'aide de ladiffusion Comptond'électronstrès énergétiques (DVCS, pourdeeply virtual Compton scattering).

• Le résultat obtenu enmai 2018avec cette méthodeannonce une pression maximale au centre: environ 10³⁵Pa,soit plus encore qu'au centre desétoiles à neutrons.Elle est positive (donc répulsive) jusqu'à unedistance radialed'environ 1femtomètre(fm), négative (donc attractive) au-delà, et très faible au-delà d'environ 2fm.
• Le travail précédent est revisité enjuin 2019:ce n'est pas la méthode qui est critiquée, mais le calcul des incertitudes. En fait les données disponibles restent compatibles avec une pression nulle au sein du proton.

Stabilité

Le proton libre (non lié à d'autres nucléons ou à d'électrons) est une particule stable, dont la désintégration spontanée en d'autres particules n'a jamais été observée. Des expériences au détecteur deSuper-Kamiokandeau Japon ont fourni des limites inférieures auxdurées de vie moyennesdu proton égales à 6,6 × 10³³ans pour la désintégration vers unantimuonet unpionneutre, et à 8,2 × 10³³ans pour la désintégration vers unpositronet un pion neutre.Une expérience différente à l'Observatoire de neutrinos de Sudburyau Canada a recherché desrayons gammaprovenant des noyaux residuels découlant de la désintégration d'un proton de l'oxygène-16. Cette deuxième expérience est conçue pour déceler la désintégration vers un produit quelconque, et établit une limite inférieure de 2,1 × 10²⁹ans pour le temps de vie du proton.

En revanche, les protons peuvent se transformer en neutrons, parcapture électronique.Ce processus n'est pas spontané, et nécessite un apport d'énergie. La réaction produit un neutron et unneutrino électronique:

p⁺+e⁻⟶n+ν_e.

Le processus est réversible: les neutrons peuvent se transformer en protons pardésintégration bêta,une forme dedésintégration radioactive.De fait, un neutron libre se désintègre de cette façon avec une durée de vie moyenne d'environ 15 minutes.

Chimie

Enchimieetbiochimie,le termeprotonse réfère le plus souvent aucationH⁺,dans la mesure où un atome deprotiumprivé de son unique électron se résume à un proton. De cette appellation découlent les expressions courantes en chimie deproticité,solvant protique/solvant aprotique,réaction deprotonation/déprotonation,RMN du proton,etc.

Ensolution aqueuse,un proton n'est normalement pas distinguable car il s'associe très facilement auxmolécules d'eaupour former l'ion oxonium(également, et improprement, appeléion hydronium) H₃O⁺.

L'Union internationale de chimie pure et appliquéeindique explicitement que le motprotonne doit pas être utilisé pour désigner l'espèce H⁺dans son abondance naturelle.En effet, en plus de protons (¹H⁺,aussi noté simplement H⁺en l'absence d'ambiguïté), ions correspondant à l'isotope de l'hydrogèneappelé protium (¹H, ou simplement H en l'absence d'ambiguïté), les ions H⁺issus d'hydrogène naturel peuvent être desdeutérons(²H⁺ou D⁺) ou destritons(³H⁺ou T⁺), correspondant respectivement aux isotopes nommésdeutérium(²H ou D) ettritium(³H ou T).

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Atome
• Électron
• Isospin
• Neutron
• Nucléon
• Physique nucléaire
• Protium
• Hydrogène kaonique

Liens externes

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  • Israël
  • Tchéquie
• Analyse de la mesure du rayon d'un protonsur le site duCNRS
• (en)C. Amsleret al.,Caractéristiques du proton[PDF],Particle Data Group,PL B667, 1 (2008) et mise à jour 2009 partielle pour l'édition 2010 ([1])