- 1. Historique
- 2. Caractéristiques
- 3. L'antiproton
- 4. Taille du nucléon
- 5. Hypothèse de la structure en quarks dans la famille des hadrons
- 6. Mise en évidence de la structure en quarks et confinement
- 7. Recherche pour une désintégration du proton
- 8. L'utilisation des faisceaux de protons et d'antiprotons. La protonthérapie.
- 9. Bibliographie
PROTONS
Caractéristiques
Comme toute particule, le proton est régi par les lois de la mécanique quantique et de la relativité. Il est défini par une charge électrique, par une masse, par un moment cinétique intrinsèque, appelé spin, et par un moment magnétique.
La charge
Le proton possède une charge électrique qui est égale en grandeur et opposée en signe à celle de l'électron. Par convention, cette charge (e) est considérée comme positive : e = 1,602 177 3 × 10—19 C.
L'égalité entre les valeurs absolues des charges du proton et de l'électron est extraordinairement bien vérifiée, la différence relative entre ces valeurs absolues étant inférieure à 10—21. Elle a pour conséquence la remarquable neutralité électrique de la matière dans les conditions normales.
La masse
La masse du proton est son énergie dans un référentiel où le proton est au repos, ce que traduit la relation d'Einstein E = mc2 (E énergie au repos, m masse du proton, c vitesse de la lumière). Soit : m = 1,672 623 × 10—27 kg, ou, en équivalent énergie : mc2 = 938,272 3 MeV.
Le spin
Le spin (mot anglais qui signifie « tournoiement ») est, par définition, le moment cinétique intrinsèque du proton. On peut se représenter classiquement ce moment cinétique par l'image d'un proton en rotation sur lui-même. Le mouvement rotatoire d'un objet classique se mesure par un moment cinétique (produit de la masse de l'objet par son rayon et sa vitesse de rotation). Toutefois, il faut bien comprendre que le spin a une origine purement quantique et relativiste, et qu'il constitue une caractéristique intrinsèque de la particule, au même titre que la masse. Il ne présuppose absolument pas que la particule a une extension spatiale, contrairement à ce que l'image classique laisse à penser. Le spin ne peut prendre que des valeurs discrètes, et vaut, pour le proton comme pour l'électron, 1/2 ℏ (avec ℏ = h/2π, où h est la constante d'action de Planck, h = 6,626 × 10—34 J.s). Ces particules ont alors deux projections possibles (sur un axe arbitraire) de leur moment cinétique intrinsèque (+ 1/2 ℏ et — 1/2 ℏ) que l'on se représente, dans l'image classique, comme deux mouvements de même axe de rotation mais de sens opposé.
Le moment magnétique
Toute particule de spin non nul se comporte comme un petit aimant caractérisé par un moment magnétique dont on peut donner la description classique suivante : lors de la rotation de la particule sur elle-même, il y a aussi rotation de l'ensemble des charges électriques, formant une boucle de courant, les vecteurs moment magnétique et moment cinétique sont alors colinéaires et portés par l'axe de rotation. Le rapport de proportionnalité entre le moment magnétique du proton et la valeur du spin (en unité ℏ, soit 1/2) est égal à eℏ/2m (quantité appelée magnéton nucléaire) multiplié par un facteur dit de Landé. Paul A. M. Dirac détermine (dès 1927), dans le cadre très général de la mécanique quantique et de la relativité, que le facteur de Landé doit être égal à 2 pour une particule élémentaire de spin 1/2. Les raffinements de la théorie quantique des champs modifient très légèrement ce résultat ; l'accord entre la théorie et l'expérience dans le cas de l'électron est l'un des plus remarquables succès de l'électrodynamique quantique. En revanche, pour le proton, le facteur de Landé est 2,79 fois plus grand. La valeur précise du moment magnétique du proton (μp) est : μp = 2,792 847 39 magnétons nucléaires.
Cette valeur indique que le proton n'est pas une particule élémentaire. Dès 1933, Otto Stern obtient ce résultat surprenant dans une expérience qui consiste à envoyer un jet d'ions hydrogène dans un champ magnétique très inhomogène et à mesurer les déviations de ces ions. Celles-ci[...]
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Écrit par
- Nicole d' HOSE : docteur ès sciences, physicienne au service de physique nucléaire au Commissariat à l'énergie atomique, Saclay
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