2) 1,673×10−27
3) 1,602×1019
4) 1,602×10–19 (+)
Протон обладает положительным элементарным зарядом: qp = +e = +1,602176634 × 10−19 Кл. В тестовом задании приведено округлённое значение 1,602 × 10−19 Кл, поэтому отмеченный вариант является правильным. Положительный знак обусловлен строением протона: он состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, суммарный электрический заряд которых равен +1 элементарному заряду.
Заряд не следует путать с массой протона. Значение порядка 1,673 × 10−27 относится к его массе и измеряется в килограммах, тогда как электрический заряд измеряется в кулонах. В электромагнитном поле на протон действует сила Лоренца F = q(E + v × B); знак заряда определяет направление отклонения частицы, а модуль — интенсивность её взаимодействия с электрическим и магнитным полями.
Для медицинской физики это имеет практическое значение при формировании и транспортировке протонного пучка в ускорителях и системах протонной терапии. Протоны, являясь положительно заряженными тяжёлыми частицами, ионизируют вещество вдоль траектории и формируют характерный пик Брэгга, позволяющий концентрировать дозу в области опухоли. Величина заряда также входит в описание энергетических потерь заряженной частицы в веществе: для протона с зарядовым числом z = 1 зависимость ионизационного торможения в первом приближении определяется величиной z2.
| Объект или величина | Заряд в единицах e | Значение в СИ | Физическое значение |
|---|---|---|---|
| Элементарный заряд e | +1 | 1,602176634 × 10−19 Кл | Точно заданная фундаментальная константа СИ |
| Протон p | +1 | +1,602176634 × 10−19 Кл | Положительно заряженная частица; основа протонного пучка |
| Электрон e− | −1 | −1,602176634 × 10−19 Кл | Имеет такой же модуль заряда, но противоположный знак |
| Нейтрон n | 0 | 0 Кл | Электрически нейтрален, непосредственно не отклоняется электрическим полем |
| Альфа-частица | +2 | +3,204353268 × 10−19 Кл | Ядро гелия; состоит из двух протонов и двух нейтронов |
| Масса протона | Не является зарядом | ≈1,673 × 10−27 кг | Иная физическая характеристика; использование этого числа в кулонах ошибочно |
Элементарный заряд является квантовой единицей электрического заряда, поэтому заряд свободного протона равен именно +e. В пучках заряженных частиц направление движения изменяется под действием электрических и магнитных полей с учётом положительного знака q. Нейтральные частицы, напротив, не испытывают электростатического отклонения, хотя могут взаимодействовать с веществом другими способами. Различение заряда и массы необходимо для корректного расчёта ускорения, радиуса траектории и дозиметрических характеристик протонного излучения.