« Proton » : différence entre les versions
Contenu supprimé Contenu ajouté
Révocation des modifications de Funzent (retour à la dernière version de Martin-78) ; Vandalisme |
Tout Balises : Révoqué Suppression de contenu Éditeur visuel |
||
| Ligne 36 : | Ligne 36 : | ||
| découvreur = [[Ernest Rutherford]] |
| découvreur = [[Ernest Rutherford]] |
||
}} |
}} |
||
Le '''proton''' est une [[particule subatomique]] portant une [[charge élémentaire|charge électrique élémentaire]] positive. |
|||
Les protons sont présents dans les [[noyau atomique|noyaux atomiques]], généralement liés à des [[neutron]]s par l'[[interaction forte]] (la seule exception, mais celle du [[nucléide]] le plus abondant de l'[[univers]], est le noyau d'[[hydrogène]] ordinaire ([[protium]]{{1}}H), un simple proton). Le nombre de protons d'un noyau est représenté par son [[numéro atomique]] ''Z''. |
|||
Le proton n'est pas une [[particule élémentaire]] mais une [[particule composite]]. Il est composé de trois particules liées par des [[gluon]]s, deux [[Quark up|quarks up]] et un [[quark down]], ce qui en fait un [[baryon]]. |
|||
Dans le cadre du [[Modèle standard (physique des particules)|modèle 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) [[désintégration du proton|instabilité du proton libre]]. |
|||
== Historique == |
|||
Le concept d'une particule analogue à l'[[hydrogène]], constituant des autres atomes, s'est graduellement développée au cours du {{s-|XIX}} et du début du {{s-|XX}}. Dès [[1815 en science|1815]], [[William Prout]] émet 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. |
|||
En [[1886 en science|1886]], [[Eugen Goldstein]] découvre les [[rayons canaux]] et montre qu'ils sont composés de particules chargées positivement (des [[ion]]s) produites par des gaz. Cependant, comme les ions produits par différents gaz possèdent des rapports charge/masse différents, ils ne sont pas identifiés comme une simple particule, à la différence de l'[[électron]] découvert par [[Joseph John Thomson|Joseph Thomson]] en [[1897 en science|1897]]. |
|||
À la suite de la découverte du [[noyau atomique]] par [[Ernest Rutherford]] en [[1911 en science|1911]], [[Antonius van den Broek]] émet l'hypothèse que la place de chaque [[Élément chimique|élément]] dans la [[Tableau périodique des éléments|classification périodique]] est égale à la charge de son noyau. Cette hypothèse est confirmée expérimentalement par [[Henry Moseley]] en [[1913 en science|1913]]. |
|||
En [[1919 en science|1919]], Rutherford prouve que le noyau de l'atome d'hydrogène est présent dans les autres noyaux. Il remarque que lorsque des [[Particule α|particules alpha]] sont 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 », {{lang|grc|πρῶτον}}. |
|||
== Caractéristiques physiques == |
|||
=== Description === |
|||
Le proton est un [[fermion]] de [[spin]] {{sfrac|2}}. Il est composé de trois [[quark]]s de valence, ce qui en fait un [[baryon]]. Les deux [[Quark up|quarks up]] et le [[quark down]] du proton sont liés par l'[[interaction forte]], transmise par des [[gluon]]s, 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 les [[Nombre quantique|nombres quantiques]] de la particule) et des gluons, le proton, comme les autres [[hadron]]s, est constitué d'une « mer » de paires de quarks-antiquarks [[Particule virtuelle|virtuels]] qui 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 le [[neutron]], le proton est un [[nucléon]] et peut être lié à d'autres nucléons par la [[force nucléaire]] à l'intérieur d'un [[noyau atomique]]. Le noyau de l'[[isotope]] le plus courant de l'[[hydrogène]] est un simple proton. Le noyau des isotopes plus lourds, le [[deutérium]] et le [[tritium]] contiennent 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'[[atome]] et donc quel [[élément chimique]] il représente. |
|||
La masse du proton est égale à environ {{Unité|1.0072765 [[Unité de masse atomique unifiée|u]]}}, soit à peu près {{Unité|938.2720 [[méga|M]][[Électronvolt#Unité de masse|eV/''c''{{2}}]]}}<ref name="Simon 201504"/> ou {{Unité|1.67262 e-27 kg}}<ref name="pdg">{{Lien web|langue=en|format=pdf |
|||
| url = http://pdg.lbl.gov/2009/listings/rpp2009-list-p.pdf |
|||
| titre = p |
|||
| éditeur = Particle Data Group |
|||
| date = 2009 |
|||
}}.</ref>. La masse du proton est environ {{nb|1836.15 fois}} celle de l'[[électron]]. Sa [[charge électrique]] est très exactement égale à une [[charge élémentaire]] positive ({{mvar|e}}), soit {{Unité|+1.602176565 e-19 [[Coulomb|C]]}} ; l'électron possède 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 +{{sfrac|2|3}}{{mvar|e}} et celle du quark down −{{sfrac|3}}{{mvar|e}}. Son rayon est d'environ {{unité|0.84 fm}}. |
|||
=== Dimensions === |
|||
{{article détaillé|Problème de la taille du proton}} |
|||
Étant une [[particule composite]], le proton n'est pas [[particule élémentaire|ponctuel]]. Sa taille peut être définie comme son [[rayon de charge]], c'est-à-dire le rayon quadratique moyen de sa distribution de charge. |
|||
Pendant plusieurs décennies et jusqu'en 2010, les mesures du rayon de charge du proton, obtenues par des méthodes différentes, sont cohérentes autour de {{unité|0,88 fm}}, avec comme meilleure évaluation {{nobr|0,8768(69) [[femtomètre|fm]]}}<ref group=alpha>Cette notation indique entre parenthèses l'incertitude (deux [[écart type|écarts type]]) portant sur les derniers chiffres : 0,8768(69) est équivalent à {{unité|0,8768 ± 0,0069)}}.</ref>. En 2010 une nouvelle méthode, impliquant l'[[hydrogène muonique]], fournit une nouvelle valeur très précise, mais incompatible avec les précédentes : {{unité|0.84184(67) fm}}<ref>{{Article| langue=en| auteur1=Randolf Pohl| et al.=oui| titre=The size of the proton| périodique=[[Nature (revue)|Nature]]| volume=466| date= 8 juillet 2010| pages=213-216| issn=0028-0836| doi=10.1038/nature09250}}.</ref>. |
|||
Les années suivantes voient s'accumuler les résultats, obtenus par différentes méthodes, qui se répartissent entre des valeurs hautes (autour de {{unité|0,877 fm}}) et basses ({{unité|0,83-0,84 fm}}), en principe très précises mais incompatibles<ref>Jan Bernauer et Randolph Pohl, ''Le proton, un problème de taille'', ''[[Pour la science]]'', {{n°|439}}, {{date-|mai 2014}}.</ref>{{,}}<ref>{{Article|prénom=Carl E.|nom=Carlson|titre=The proton radius puzzle|périodique=Progress in Particle and Nuclear Physics|volume=82|date=2015-05-01|doi=10.1016/j.ppnp.2015.01.002|arxiv=1502.05314|lire en ligne=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0146641015000034|consulté le=2016-05-09|pages=59–77}}.</ref>, sans qu'on puisse encore les départager fin 2019. |
|||
=== 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<ref name=Gao2021>{{article| langue=en| titre=Antimatter in the proton is more down than up| auteur1=Haiyan Gao| périodique=[[Nature (revue)|Nature]]| date=24 février 2021| volume=590| pages=559-560| doi=10.1038/d41586-021-00430-3}}.</ref>. |
|||
Chaque paire quark-antiquark est constituée d'un quark u et de son antiparticule, 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'[[Violation de CP#Déséquilibre matière-antimatière|asymétrie matière-antimatière]]<ref name=Gao2021/>{{,}}<ref>{{article| langue=en| titre=The asymmetry of antimatter in the proton| auteur1=J. Dove| auteur2=B. Kerns| auteur3=R. E. McClellan| auteur4=S. Miyasaka| auteur5=D. H. Morton| et al.=oui| périodique=[[Nature (revue)|Nature]]| date=24 février 2021| volume=590| pages=561-565| doi=10.1038/s41586-021-03282-z}}.</ref>. |
|||
=== Pression interne === |
|||
Le proton étant constitué de [[quark]]s confinés via la présence de [[gluon]]s, on peut définir l'équivalent d'une [[pression]] ressentie par les quarks. On peut en calculer la distribution, en fonction de la distance au centre, à l'aide de la [[diffusion Compton]] d'[[électron]]s très énergétiques (DVCS, pour ''{{langue|en|deeply virtual Compton scattering}}''). |
|||
* Le résultat obtenu en {{date-|mai 2018}} avec cette méthode<ref>{{article| langue=en| titre=The pressure distribution inside the proton| auteur1=V. D. Burkert| auteur2=L. Elouadrhiri| auteur3=F. X. Girod| pages=396-399| périodique=Nature| lien périodique=Nature (revue)| volume=557| date=17 mai 2018| doi=10.1038/s41586-018-0060-z}}.</ref> annonce une pression maximale au centre : environ {{unité|e35 Pa}}, soit plus encore qu'au centre des [[étoile à neutrons|étoiles à neutrons]]. Elle est positive (donc répulsive) jusqu'à une [[distance radiale]] d'environ {{unité|1 [[femtomètre]]}} (fm), négative (donc attractive) au-delà, et très faible au-delà d'environ {{unité|2 fm}}. |
|||
* Le travail précédent est revisité en {{date-|juin 2019}}<ref>{{article| langue=en| titre=Measurability of pressure inside the proton| auteur=Krešimir Kumerički| périodique=Nature| lien périodique=Nature (revue)| volume=570| pages=E1–E2| date=6 juin 2019| doi=10.1038/s41586-019-1211-6}}.</ref> : 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 === |
|||
{{article détaillé|Désintégration du proton}} |
|||
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. Sa [[demi-vie]] a été mesurée comme supérieure à {{unité|6.6 e33 ans}}<ref>{{Article | langue = en | auteur = H. Nishino |et al.=oui | titre = Search for Proton Decay via p → e{{exp|+}} π{{exp|0}} and p → μ{{exp|+}} π{{exp|0}} in a Large Water Cherenkov Detector | périodique = Phys. Rev. Lett. | lien périodique = Physical Review Letters | volume = 102 | numéro = 14 | jour = 8 | mois = avril | année = 2009 | pages = 141801-141805 | doi = 10.1103/PhysRevLett.102.141801}}.</ref>. Sa [[durée de vie moyenne]] est au minimum de l'ordre de {{Unité|2.1 e29 ans}}<ref name="pdg" />{{,}}<ref>{{Article | langue = en | auteur = S.N. Ahmed |et al.=oui | titre = Constraints on nucleon decay via ''invisible'' modes from the Sudbury Neutrino Observatory | périodique = Phys. Rev. Lett. | lien périodique = Physical Review Letters | volume = 92 | jour = 10 | mois = mars | année = 2004 | pages = 102004-102007 | doi = 10.1103/PhysRevLett.92.102004}}.</ref>. |
|||
En revanche, les protons peuvent se transformer en neutrons, par [[capture électronique]]. Ce processus n'est pas spontané, et nécessite un apport d'énergie. La réaction produit un neutron et un [[Neutrino|neutrino électronique]] : |
|||
:p{{exp|+}} + [[Électron|e{{exp|–}}]] ⟶ [[Neutron|n]] + [[Neutrino électronique|{{mvar|ν}}{{ind|e}}]]. |
|||
Le processus est réversible : les neutrons peuvent se transformer en protons par [[Radioactivité β|désintégration bêta]], une forme de [[Radioactivité|désintégration radioactive]]. De fait, un neutron libre se désintègre de cette façon avec une durée de vie moyenne d'environ 15 minutes. |
|||
== Chimie == |
|||
En [[chimie]] et [[biochimie]], le terme ''proton'' se réfère le plus souvent au [[cation]] H{{exp|+}}, dans la mesure où un atome d'hydrogène privé de son unique électron se résume à un proton. De cette appellation découlent les expressions courantes en chimie de [[Protique|proticité]], [[solvant protique]]/[[solvant aprotique]], réaction de [[protonation]]/déprotonation, [[RMN du proton]]{{etc.}} |
|||
En [[solution aqueuse]], un proton n'est normalement pas distinguable car il s'associe très facilement aux molécules d'eau pour former l'[[ion oxonium]] (également, et improprement, appelé [[ion hydronium]]) {{fchim|H|3|O{{exp|+}}}}. |
|||
L'[[Union internationale de chimie pure et appliquée]] indique explicitement que le mot ''proton'' ne doit pas être utilisé pour désigner l'espèce H{{exp|+}} dans son abondance naturelle<ref>{{lien web|langue=en |url=https://goldbook.iupac.org/P04903.html |site=goldbook.iupac.org |titre=Protium |date=24 février 2014}}.</ref>. En effet, en plus de protons ({{exp|1}}H{{exp|+}}, aussi noté simplement H{{exp|+}} en l'absence d'ambiguïté), ions correspondant à l'[[Isotopes de l'hydrogène|isotope de l'hydrogène]] appelé [[protium]] ({{exp|1}}H, ou simplement H en l'absence d'ambiguïté), les ions H{{exp|+}} issus d'hydrogène naturel peuvent être des [[deutéron]]s ({{exp|2}}H{{exp|+}} ou D{{exp|+}}) ou des [[triton]]s ({{exp|3}}H{{exp|+}} ou T{{exp|+}}), correspondant respectivement aux isotopes nommés [[deutérium]] ({{exp|2}}H ou D) et [[tritium]] ({{exp|3}}H ou T). |
|||
== Notes et références == |
|||
=== Notes === |
|||
{{Références| groupe=alpha}} |
|||
=== Références === |
|||
{{Références}} |
|||
== Voir aussi == |
|||
{{Autres projets |
|||
|wiktionary=proton |
|||
}} |
|||
=== Articles connexes === |
|||
{{colonnes|nombre=2|taille=12| |
|||
* [[Atome]] |
|||
* [[Électron]] |
|||
* [[Isospin]] |
|||
* [[Neutron]] |
|||
* [[Nucléon]] |
|||
* [[Physique nucléaire]] |
|||
* [[Protium]] |
|||
* [[Hydrogène kaonique]] |
|||
}} |
|||
=== Liens externes === |
|||
* [http://www.cnrs.fr/Cnrspresse/n22a3.html Analyse de la mesure du rayon d'un proton] sur le site du [[Centre national de la recherche scientifique|CNRS]] |
|||
* {{en}} C. Amsler {{et al.}}, [http://pdg.lbl.gov/2009/listings/rpp2009-list-p.pdf Caractéristiques du proton] {{pdf}}, {{lang|en|Particle Data Group}}, PL B667, 1 (2008) et mise à jour 2009 partielle pour l'édition 2010 ([http://pdg.lbl.gov]) |
|||
{{Palette|Tableau particules}} |
{{Palette|Tableau particules}} |
||
Version du 5 octobre 2021 à 10:18
Pour les articles homonymes, voir Proton (homonymie).
Proton
Représentation schématique 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 (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.
| Classification |
Particule composite (baryon) |
|---|---|
| Composition | |
| Famille | |
| Groupe | |
| Interaction(s) | |
| Symbole |
p, p+ |
| Antiparticule |
| Masse | |
|---|---|
| Charge électrique | |
| Rayon de charge | |
| Moment dipolaire |
< 5,4 × 10−24 C m |
| Polarisabilité électrique |
1,2(6) × 10−3 fm3 |
| Moment magnétique |
2,792 847 351(28) μN |
| Polarisabilité magnétique |
1,9(5) × 10−4 fm3 |
| Charge de couleur |
0 |
| Spin |
½ |
| Isospin |
½ |
| Parité |
+1 |
| Durée de vie | |
| Forme condensée |
½ |
| Prédiction |
William Prout, 1815 |
|---|---|
| Découverte |
1919 |
| Découvreur |
- Adair, R.K., The Great Design: Particles, Fields, and Creation, Oxford University Press, , p. 214.
- Eric Simon, « La différence de masse entre proton et neutron obtenue par calcul pour la première fois », sur ca-se-passe-la-haut.fr, (consulté le ).
- CODATA 2010.
- Futura-Sciences, « Quand les protons disparaîtront-ils de l'univers ? », sur Futura-Sciences (consulté le ).