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Proton



Proton : encyclopédie physique

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Proton
Image illustrative de l'article Proton
ReprĂ©sentation schĂ©matique de la composition en quarks de valence d'un proton, avec deux quarks u et un quark d. L'interaction forte est transmise par des gluons (reprĂ©sentĂ©s ici par un tracĂ© sinusoĂŻdal). La couleur des quarks fait rĂ©fĂ©rence aux trois types de charges de l'interaction forte : rouge, verte et bleue. Le choix de couleur effectuĂ© ici est arbitraire, la charge de couleur circulant Ă  travers les trois quarks.
Propriétés générales
Classification Particule composite (baryon)
Composition 2 quarks u
1 quark d
Famille Fermion
Groupe Baryon (nucléon)
Interaction(s) Forte, électromagnétique, faible, gravitation
Symbole p, p+
Antiparticule Antiproton
Propriétés physiques
Masse 938,272 MeV/cÂČ
(1,672 622×10-27 kg[1])
(1,0072765 u[1])
Charge Ă©lectrique +e = 1,602 176 565×10-19 C[1]
Rayon de charge 0,84184 fm
Moment dipîlaire < 5,4×10−24 e Cm
PolarisabilitĂ© Ă©lectrique 1,2(6)×10−3 fmÂł
Moment magnĂ©tique 2,792847351(28) ÎŒN
PolarisabilitĂ© magnĂ©tique 1,9(5)×10−4 fmÂł
Charge de couleur 0
Spin œ
Isospin œ
Parité +1
DurĂ©e de vie ThĂ©orie : infinie (particule stable) ou ~ 1034 ans[2]
ExpĂ©rience : > 5,9×1033 ans[2]
Forme condensĂ©e I(JP) = Âœ(Âœ+)
Historique
Prédiction William Prout, 1815
DĂ©couverte 1919
DĂ©couvreur Ernest Rutherford

Le proton est une particule subatomique portant une charge élémentaire positive.

Les protons sont prĂ©sents dans le noyau atomique, Ă©ventuellement liĂ©s avec des neutrons par l'interaction forte (le noyau de l'isotope le plus rĂ©pandu de l'hydrogĂšne, H+, est un simple proton) ; le proton est Ă©galement stable par lui-mĂȘme, en dehors du noyau atomique.

Le proton n'est pas une particule Ă©lĂ©mentaire, Ă©tant composĂ© de trois autres particules : deux quarks up et un quark down.

Le nombre de proton d'un noyau se nomme aussi numéro atomique (Z)

Caractéristiques physiques[modifier | modifier le code]

Description[modifier | modifier le code]

Le proton est un fermion de spin Âœ. Il est composĂ© de trois quarks de valence, ce qui en fait un baryon. Les deux quarks up et le quark down du proton sont liĂ©s par l'interaction forte, transmise par des gluons, ces gluons Ă©changĂ©s entre les quarks et qui, par l’énergie de liaison qu’ils reprĂ©sentent, vont constituer environ 99% de la masse du proton. En plus de ces trois quarks de valence (qui dĂ©terminent les nombres quantiques de la particule) et des gluons, le proton, comme les autres hadrons, est constituĂ© d'une « mer Â» de paires de quarks-antiquarks virtuels qui apparaissent et disparaissent en permanence. Les nombres quantiques de ces paires virtuelles s'annulent en moyenne ne contribuent pas Ă  ceux du proton.

Tout comme le neutron, le proton est un nuclĂ©on et peut ĂȘtre liĂ© Ă  d'autres nuclĂ©ons par la force nuclĂ©aire Ă  l'intĂ©rieur d'un noyau atomique. Le noyau de l'isotope le plus courant de l'hydrogĂšne est un simple proton. Le noyau des isotopes plus lourds, le deutĂ©rium et le tritium contiennent un proton liĂ© Ă  un et deux neutrons, respectivement. Tous les autres noyaux atomiques sont composĂ©s de deux protons ou plus et d'un certain nombre de neutrons. Le nombre de protons d'un noyau dĂ©termine (par l’intermĂ©diaire des Ă©lectrons qui lui sont associĂ©s) les propriĂ©tĂ©s chimiques de l'atome et donc quel Ă©lĂ©ment chimique il reprĂ©sente.

La masse du proton est Ă©gale Ă  environ 1,0072765 u, soit Ă  peu prĂšs 938,2720 MeV/cÂČ ou 1,67262×10-27 kg[3]. La masse du proton est environ 1 836,15 fois celle de l'Ă©lectron. Sa charge Ă©lectrique est trĂšs exactement Ă©gale Ă  une charge Ă©lĂ©mentaire positive (e), soit +1,602176565×10-19 C ; l'Ă©lectron possĂšde une charge Ă©lectrique nĂ©gative, de valeur opposĂ©e Ă  celle du proton. La charge Ă©lectrique du proton est Ă©gale Ă  la somme des charges Ă©lectriques de ses quarks : celle de chaque quark up vaut 2/3e et celle du quark down vaut -1/3e. Son rayon est d'environ 0,84 fm.

Le rayon de charge du proton, c'est-Ă -dire le rayon moyen quadratique de sa distribution de charge, est de l'ordre de 0,84184 fm[4]. Cependant, cette mesure extrĂȘmement prĂ©cise de la taille du proton rĂ©alisĂ©e grĂące Ă  de l'hydrogĂšne muonique pose de nombreuses questions car d'autres expĂ©rimentations utilisant des Ă©lectrons donnent au proton un rayon moyen situĂ© entre 0,875 et 0,88 fm. À la mi 2014, toutes les tentatives d'explication de cette diffĂ©rence entre rĂ©sultats expĂ©rimentaux ont Ă©chouĂ©[5].

Stabilité[modifier | modifier le code]

Le proton semble ĂȘtre stable. Sa demi-vie est expĂ©rimentalement mesurĂ©e comme supĂ©rieure Ă  6,6×1033 ans[6]. Sa durĂ©e de vie moyenne est au minimum de l'ordre de 2,1×1029 ans[3],[7].

En revanche, les protons peuvent se transformer en neutrons par capture Ă©lectronique. Ce processus n'est pas spontanĂ© et nĂ©cessite un apport d'Ă©nergie. La rĂ©action Ă©met un neutron ainsi qu'un neutrino Ă©lectronique :

\mathrm{p}^+ + \mathrm{e}^- \rightarrow\mathrm{n} + {\nu}_\text{e}

Le processus est rĂ©versible : les neutrons peuvent se transformer en protons par dĂ©sintĂ©gration bĂȘta, une forme de dĂ©sintĂ©gration radioactive. De fait, un neutron libre se dĂ©sintĂšgre de cette façon avec une durĂ©e de vie moyenne d'environ 15 minutes.

Chimie[modifier | modifier le code]

En chimie, en biochimie ou en RMN, le terme proton se rĂ©fĂšre le plus souvent au cation H+, dans la mesure oĂč un atome d'hydrogĂšne privĂ© de son unique Ă©lectron se rĂ©sume Ă  un proton.

En solution aqueuse, un proton n'est normalement pas distinguable car il s'associe trÚs facilement aux molécules d'eau pour former l'ion hydronium H3O+.

Historique[modifier | modifier le code]

Le concept d'une particule analogue Ă  l'hydrogĂšne, constituant des autres atomes, s'est graduellement dĂ©veloppĂ©e au cours du XIXe siĂšcle et du dĂ©but du XXe siĂšcle. DĂšs 1815, William Prout Ă©met l'hypothĂšse que tous les atomes sont composĂ©s d'atomes d'hydrogĂšne, sur la base d'interprĂ©tations des valeurs des masses atomiques ; cette hypothĂšse se rĂ©vĂšle fausse lorsque ces valeurs sont mesurĂ©es avec plus de prĂ©cision.

En 1886, Eugen Goldstein découvre les rayons canaux et montre qu'ils sont composés de particules chargés positivement (des ions) produits par des gaz. Cependant, comme les ions produits par différents gaz possÚdent des rapports charge/masse différents, ils ne sont pas identifiés comme une simple particule, à la différence de l'électron découvert par Joseph Thomson en 1897.

À la suite de la dĂ©couverte du noyau atomique par Ernest Rutherford en 1911, Antonius van den Broek Ă©met l'hypothĂšse que la place de chaque Ă©lĂ©ment dans la classification pĂ©riodique est Ă©gale Ă  la charge de son noyau. Cette hypothĂšse est confirmĂ©e expĂ©rimentalement par Henry Moseley en 1913.

En 1919, Rutherford prouve que le noyau de l'atome d'hydrogĂšne est prĂ©sent dans les autres noyaux. Il remarque que lorsque des particules alpha sont envoyĂ©es dans un gaz d'azote, ses dĂ©tecteurs de scintillation indiquent la signature de noyaux d'hydrogĂšne. Il dĂ©termine ensuite que cet hydrogĂšne ne peut provenir que de l'azote. Ce noyau d'hydrogĂšne est donc prĂ©sent Ă  l'intĂ©rieur d'un autre noyau. Rutherford baptise la particule correspondante du nom de proton, d'aprĂšs le neutre singulier du mot grec pour « premier Â», Ï€Ïáż¶Ï„ÎżÎœ.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. ↑ a, b et c CODATA 2010
  2. ↑ a et b [1]
  3. ↑ a et b (en) [PDF] « p Â», Particle Data Group,‎ 2009
  4. ↑ (en) Randolf Pohl et al., « The size of the proton Â», Nature, vol. 466,‎ 8 juillet 2010, p. 213-216 (ISSN 0028-0836, DOI 10.1038/nature09250)
  5. ↑ Article "Le proton, un problùme de taille" de Jan Bernauer et Randolph Pohl, paru dans le n°439 (mai 2014) de la revue Pour la Science.
  6. ↑ (en) H. Nishino et al., « Search for Proton Decay via p → e+ π0 and p → ÎŒ+ π0 in a Large Water Cherenkov Detector Â», Phys. Rev. Lett., vol. 102, no 14,‎ 8 avril 2009, p. 141801-141805 (DOI 10.1103/PhysRevLett.102.141801)
  7. ↑ (en) S.N. Ahmed et al., « Constraints on nucleon decay via invisible modes from the Sudbury Neutrino Observatory Â», Phys. Rev. Lett., vol. 92,‎ 10 mars 2004, p. 102004-102007 (DOI 10.1103/PhysRevLett.92.102004)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

  • Atome
  • Électron
  • Isospin
  • Neutron
  • NuclĂ©on
  • Physique nuclĂ©aire
  • Protium
  • HydrogĂšne kaonique

Liens externes[modifier | modifier le code]

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