陽子のソースを表示

{{Infobox particle
|名前=陽子（[[プロトン]]）
|画像=File:Quark structure proton.svg
|組成=uud
|統計=[[フェルミ粒子]]
|グループ=[[バリオン]]
|相互作用=[[弱い相互作用]]<br/>[[強い相互作用]]<br/>[[電磁相互作用]]<br/>[[重力相互作用]]
|反粒子=[[反陽子]]({{粒子の記号|link=no|反p}})
|発見=[[アーネスト・ラザフォード]] (1917){{Sfnp|Petrucci|Harwood|Herring|2002|p=41}}
|記号='''{{粒子の記号|p}}'''
|質量={{val|1.672621898|(21)|e=-27|u=kg}}{{R|mp}}<br/>{{val|938.2720813|(58)|u=MeV/c2}}{{R|mpc2}}
|電荷={{val|1.602176634|e=-19|ul=C|s=（正確に）}}{{R|e}}
|荷電半径={{val|0.8751|(61)|u=fm}}{{R|rp}}
|磁気モーメント={{val|1.4106067873|(97)|e=-26|u=J/T}}{{R|mup}}
|色荷=持たない
|スピン={{frac|1|2}}
|バリオン数=1
|ストレンジネス=0
|アイソスピン={{frac|1|2}}
|超電荷={{frac|1|2}}
|パリティ=+1}}
{{読み仮名|'''陽子'''|ようし|{{lang-la-short}}{{lang-nl-short}}{{lang-de-short}}{{lang-fr-short}}{{Lang-en-short|proton}}}}とは、[[原子核]]を構成する[[粒子]]のうち、正の[[電荷]]をもつ粒子である。英語名のまま'''プロトン'''と呼ばれることも多い。陽子は[[電荷]]+1、[[スピン角運動量|スピン]]1/2の[[フェルミ粒子]]である。記号 p で表される。

陽子とともに[[中性子]]によって原子核は構成され、これらは[[核子]]と総称される。[[水素]]（軽水素、{{sup|1}}H）の原子核は、1個の陽子のみから構成される。[[電子]]が離れて[[イオン化]]した'''水素イオン'''（{{sup|1}}H{{sup|+}}）<ref group="注釈">厳密には、[[水素イオン]]という語は、水素の陰イオン（[[ヒドリド]]）をも指す。</ref>は陽子そのものであるため、[[化学]]の領域では水素イオンをプロトンと呼ぶことが多い。
{{For2|化学的な水素の陽イオンの性質|ヒドロン}}

[[原子核物理学]]、[[素粒子物理学]]において、陽子は[[クォーク]]が結びついた[[複合粒子]]である[[ハドロン]]に分類され、2個の[[アップクォーク]]と1個の[[ダウンクォーク]]で構成される[[バリオン]]である。ハドロンを分類する[[フレーバー (素粒子)|フレーバー]]は、[[バリオン数]]が1、[[ストレンジネス]]は0であり、[[アイソスピン]]は1/2、[[超電荷]]は1/2となる。バリオンの中では最も軽くて安定である。
{{For2|原子核内で核子同士をまとめておく力|パイ中間子}}

== 諸定数 ==
=== 電荷 ===
陽子の電荷は、符号が正で大きさが[[電気素量]] {{mvar|e}} に等しい。その値は
{{Indent|<math>+e=+1.602~176~634\times 10^{-19}\ \text{C}</math>（正確に）}}である（2018 [[科学技術データ委員会|CODATA]]推奨値<ref name="e">[[#nist|CODATA Value]]</ref>）。
=== 質量 ===
陽子の[[質量]] {{math|''m''{{sub|p}}}} は
{{Indent|<math>\begin{align}m_\text{p}&=1.672\ 621\ 923\ 69(51)\times 10^{-27}\ \text{kg}\\&=938.272\ 088\ 16(29)\ \text{MeV}/c^2\end{align}</math>}}
である（2018 CODATA推奨値<ref name="mp">[[#mp|CODATA Value]]</ref><ref name="mpc2">[[#mpc2|CODATA Value]]</ref>）。[[電子]]の質量 {{math|''m''{{sub|e}}}} に対する比は
{{Indent|<math>\frac{m_\text{p}}{m_\text{e}}=1836.152\ 673\ 43(11)</math>}}
である（2018 CODATA推奨値<ref name="mps">[[#mps|CODATA Value]]</ref>）。

陽子の[[質量電荷比#電荷質量比|比電荷]]は
{{Indent|<math>\frac{e}{m_\text{p}}=9.578\ 833\ 1560(29)\times 10^7\ \text{C}\ \text{kg}^{-1}</math>}}
である（2018 CODATA推奨値<ref name="esmp">[[#esmp|CODATA Value]]</ref>）。

=== コンプトン波長 ===
陽子の[[コンプトン波長]] {{math|''&lambda;''{{sub|p}}}} は
{{Indent|<math>\lambda_\text{p}=\frac{h}{m_\text{p}c}=1.321\ 409\ 855\ 39(40)\times 10^{-15}\ \text{m}</math>}}
である（2018 CODATA推奨値<ref name="pcom">[[#pcom|CODATA Value]]</ref>）。

=== 荷電半径 ===
陽子の[[二乗平均平方根|RMS]][[荷電半径]] {{math|''r''{{sub|p}}}} は
{{Indent|<math>r_\text{p}=0.8414(19)\times 10^{-15}\ \text{m}</math>}}
である（2018 CODATA推奨値<ref name="rp">[[#rp|CODATA Value]]</ref>）。

=== 磁気モーメント ===
陽子の[[磁気モーメント]] {{math|''&mu;''{{sub|p}}}} は
{{Indent|<math>\mu_\text{p}=1.410\ 606\ 797\ 36(60)\times 10^{-26}\ \text{J}\ \text{T}^{-1}</math>}}
である（2018 CODATA推奨値<ref name="mup">[[#mup|CODATA Value]]</ref>）。[[核磁子]] {{math|''&mu;''{{sub|N}}}} に対する比（[[異常磁気モーメント]]）は
{{Indent|<math>\frac{\mu_\text{p}}{\mu_\text{N}}=2.792\ 847\ 344\ 63(82)</math>}}
である（2018 CODATA推奨値<ref name="mups">[[#mups|CODATA Value]]</ref>）。

== 歴史 ==
陽子は[[1918年]]に[[アーネスト・ラザフォード]]によって発見された。[[アルファ粒子]]を[[窒素]]ガスに打ち込むと、水素の原子核固有の反応が検出された。窒素ガスは密閉状態にあるため、水素は窒素から分離されたに違いなく、水素の原子核は窒素に含まれていると推測した。これから、当時水素の原子核は電荷が1でありそれ以上分割することができないとされていたため、最も基本的な物質の構成要素であると結論付けた。ラザフォードはこの物質を[[ギリシャ語]]の最初を表すプロトス（protos）からプロトン（{{en|proton}}、{{IPA-en|ˈproutɑn}}）と名づけた。

== 陽子の崩壊 ==
{{Unsolved|物理学|陽子の寿命は無限か有限か。有限だとすればどのくらいか。}}
[[標準模型]]においては、陽子の寿命は無限であるとされているが、[[大統一理論]]は、非常に長い時間をかけて崩壊することを予言している。

内側にセンサーを敷き詰めた大型のタンク内の大量の液体（に含まれる陽子）を対象として観測することで、これを検出できるかもしれないという提案があり、いくつかの実験が実施されている。日本においては[[カミオカンデ]]の目的の一つが陽子の崩壊を観測することであった。陽子の寿命が仮に {{1e|33}} 年ならば、{{1e|33}} 個の陽子を集めれば1年に1個以上の陽子の崩壊が（崩壊したら確実に観測できるとして）観測できる確率が約63 %（≒1&minus;1/[[ネイピア数|e]]）であり<ref group="注釈">2個陽子があったとして、1年で1/2の確率で崩壊するとして、1年で1つも崩壊しない確率は(1&minus;1/2)<sup>2</sup>=1/4=25 %。3個陽子があり、1年で1/3の確率で崩壊するとしたら、1年で1つも崩壊しない確率は(1&minus;1/3)<sup>3</sup>=8/27=約29.6 %。10個陽子があり、1年で1/10の確率で崩壊するとしたら、1年で1つも崩壊しない確率は(1&minus;1/10)<sup>10</sup>=(9/10)<sup>10</sup>=約34.9 %。n個陽子があり、1年で1/nの確率で崩壊するとしたら、1年で1つも崩壊しない確率は(1&minus;1/n)<sup>n</sup>である。nが十分に大きければ、その値は1/e（[[ネイピア数]]の逆数）に近づく。1年で少なくとも1つ陽子が崩壊する確率は前文の余事象なので1&minus;1/eとなる。同様にn個陽子があり、1年で1/nの確率で崩壊するとしたら、2年3年で1つも崩壊しない確率は(1&minus;1/n)<sup>2n,3n</sup> である。nが十分に大きければ、その値は1/(e<sup>2</sup>,e<sup>3</sup>)に近づく。</ref>、2年間で1個以上の陽子の崩壊が観測できる確率が約87 %（≒1&minus;1/e<sup>2</sup>）、3年間で1個以上の陽子の崩壊が観測できる確率が約95 %（≒1&minus;1/e<sup>3</sup>）である{{efn|統計的には95%以上の確率で起きうることが仮に起きない場合は、仮説を棄却して対立仮説（論理式でいう[[否定]]、このケースでは陽子の寿命は少なくとも{{1e|33}} 年よりは明らかに長い）を採択することがある。}}。2017年現在、この崩壊現象は観測されておらず、引き続く[[スーパーカミオカンデ]]を含めた実験結果から陽子の寿命は少なくとも {{1e|34}} 年（日本の[[命数法]]で100[[溝 (数)|溝]]年）以上であると主張されている<ref>{{Cite web|和書|url=http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/pdecay.html|title=陽子崩壊|work=[[スーパーカミオカンデ]]公式ホームページ|publisher=[[東京大学宇宙線研究所]]|accessdate=2017-05-27}}</ref>。陽子崩壊は陽子内部のクォーク同士が {{1e-|31}} m 以内に接近したときに起きる現象であるが、これはクォークの大きさが {{1e-|31}} m 以下、または点状粒子であることを前提としている。クォーク半径が {{1e-|31}} m 以上であると、クォークの中心同士はそれ以上は接近できず、陽子崩壊は起こらない。

陽子崩壊でどういう粒子にどのくらいの確率で崩壊するかは大統一理論のモデルに依存するが、多くのモデルでは主要なモードとして次式のような[[陽電子]]と[[パイ中間子|中性パイ中間子]]、又は[[ニュートリノ|反ニュートリノ]]と[[K中間子|陽K中間子]]への崩壊を予言する。

*<math>\mathrm{p}\to \mathrm{e}^+ + \pi^0</math>
*<math>\mathrm{p}\to \bar{\nu} + K^+</math>
[[鉄の星]]は陽子崩壊が起きないことを前提としている。

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Notelist}}
=== 出典 ===
{{Reflist|2}}

== 参考文献 ==
* {{Cite journal|author=K.A. Olive ''et al.'' (Particle Data Group)|title=2014 Review of Particle Physics|year=2014|journal=Chin. Phys. C|volume=38|issue=9|edition=090001|doi=10.1088/1674-1137/38/9/090001}}
* {{Cite book|first=R.H.|last=Petrucci|first2=W.S.|last2=Harwood|first3=F.G.|last3=Herring|year=2002|title=General Chemistry|edition=8th|ref=harv}}

== 関連項目 ==
* [[反陽子]]
* [[陽子線]]
* [[中間子]]
* [[超対称大統一理論]]
* [[原子]] - [[中性子]] - [[電子]]
* [[水素]] - [[ジプロトン]] - [[リチウム3]]
* [[カミオカンデ]]

== 外部リンク ==
* {{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Category?view=pdf&Atomic+and+nuclear|title=Fundamental Physical Constants — Atomic and Nuclear Constants|accessdate=2015-06-28|publisher=[[アメリカ国立標準技術研究所|NIST]]|format=PDF}}
**{{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e|title=CODATA Value: elementary charge|accessdate=2020-04-09|publisher=NIST|ref=nist}}
** {{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mp|title=CODATA Value: proton mass|accessdate=2020-04-09|publisher=NIST|ref=mp}}
** {{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpc2mev|title=CODATA Value: proton mass energy equivalent in MeV|accessdate=2020-04-09|publisher=NIST|ref=mpc2}}
** {{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mpsme|title=CODATA Value: proton-electron mass ratio|accessdate=2020-04-09|publisher=NIST|ref=mps}}
** {{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?esmp|title=CODATA Value: proton charge to mass quotient|accessdate=2020-04-09|publisher=NIST|ref=esmp}}
** {{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?pcomwl|title=CODATA Value: proton Compton wave length|accessdate=2020-04-09|publisher=NIST|ref=pcom}}
** {{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?rp|title=CODATA Value: proton rms charge radius|accessdate=2020-04-09|publisher=NIST|ref=rp}}
** {{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mup|title=CODATA Value: proton magnetic moment|accessdate=2020-04-09|publisher=NIST|ref=mup}}
** {{Cite web|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mupsmun|title=CODATA Value: proton magnetic moment to nuclear magneton ratio|accessdate=2020-04-09|publisher=NIST|ref=mups}}
* {{Cite web|url=http://pdg8.lbl.gov/rpp2014v1/pdgLive/Particle.action?node=S016|title=pdgLive|accessdate=2015-06-07|publisher=Particle Data Group}}
* {{Kotobank|2=日本大百科全書(ニッポニカ)}}

{{粒子の一覧}}

{{Normdaten}}
{{DEFAULTSORT:ようし}}
[[Category:陽子|*]]
[[Category:原子核物理学]]
[[Category:核子]]
[[Category:亜原子粒子]]
[[Category:アーネスト・ラザフォード]]